ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ ЛОКАТОР НОСИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА

Электростатический локатор носителей электрического заряда относится к измерительной технике и может быть использован для определения направления на носитель электрического заряда и расстояния до него.
Известно, что часто возникает потребность в локации, т.е. определении местоположения различных перемещающихся объектов, особенно летающих объектов естественного и искусственного происхождения, которые могут характеризоваться очень разнообразными электрофизическими характеристиками. Для этих целей применяется большое число средств пассивной радиолокации и пеленгации, описанных, например, в кн.: Царьков Н.М. Многоканальные радиолокационные измерители. - М.: Сов. радио, 1980. - 192 с. - глава 1. Устройства содержат большое количество антенн с узкими неперекрывающимися диаграммами направленности, усилители, амплитудные детекторы и сравнивающие устройства. Сигналы со всех антенн сравниваются по уровню и из них выбирается максимальный. Направление на объект определяется по направлению той из антенн, с которой поступает максимальный сигнал.
Недостатками данного технического решения являются необходимость большого числа достаточно громоздких антенн, обеспечивающих узконаправленный прием радиоизлучения. Также необходимо условие, чтобы либо объект излучал радиоволны, либо антенны работали в активном режиме, облучали объект и принимали отраженное от него излучение. Кроме того, поскольку объект может быть выполнен из современных диэлектрических материалов, и иметь крайне малую эффективную отражающую поверхность, тогда в результате этого уровень отраженных радиосигналов будет недостаточен для локации его местоположения.
В случае значительного теплового излучения объекта, например, от работающего двигателя, может быть использован радиотеплолокатор, описанный, например, в кн.: Радиотехнические системы / Ю.П.Гришин, В.П.Ипатов, Ю.М.Казаринов и др. - М.: Высш. шк., 1990. - 496 с.- глава 20. В ней описано устройство, реализующее сходный с предыдущими устройствами принцип, но в качестве антенн применены датчики, фиксирующие тепловое излучение. Недостатком этого технического решения является то, что многие объекты (например, беспилотные летательные аппараты длительного полета) могут иметь двигатели, не являющиеся источниками сильного теплового излучения, например, электродвигатели, питающиеся от аккумуляторных батарей. В этом случае радиотеплолокация малоэффективна, так как точность определения местоположения объекта очень низка.
Для фиксации факта присутствия летающего объекта может быть использован флюксметр, фиксирующий изменение электрического поля. Оно имеет место в результате электризации корпуса летательного аппарата, особенно выполненного из диэлектрических материалов, при трении его о воздушную среду. Флюксметры описаны, например, в кн.:.: Имянитов И.М. Приборы и методы для изучения электричества атмосферы - М.: ГТТИ, 1957. - 483 с.или в кн.: Чалмерс Дж.А. Атмосферное электричество / Пер. с англ. под ред. Имянитова И.М. - Л.: Гидрометеоиздат, 1974. - 420 с. В этих приборах величина электростатического поля вблизи прибора преобразуется в электрическое напряжение, далее измеряемое. Недостатком данного технического решения является невозможность определения направления и дальности до подвижного объекта.
Наиболее близким к заявляемому является устройство, описанное, например, в кн.: Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. - М.: Радио и связь, 1981. - 416 с. - глава 14. Устройство содержит две приемные антенны, сумматор, вычитатель, фазовращатель, гетеродин, перемножители и усилители промежуточной частоты с автоматической регулировкой усиления. В устройстве сравнивается фазовый сдвиг принимаемых антеннами сигналов. Поскольку расстояние между антеннами известно, как и известна частота принимаемых сигналов, это позволяет вычислить направление прихода радиоизлучения от лоцируемого объекта. Недостатком прототипа является условие излучения объектом радиоволн на высокой частоте, что сужает класс объектов, которые можно достаточно эффективно лоцировать и значительно уменьшает универсальность этого средства измерения
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение точности определения направления на носитель электрического заряда и расстояния до него, а также расширения универсальности применения локатора.
Поставленная задача решается тем, что в устройство, содержащее первый сумматор и первый вычитатель, введены второй, третий, четвертый и пятый сумматоры, второй, третий, четвертый и пятый вычитатели, первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой флюксметры, первый, второй, третий, и четвертый аналого-цифровые преобразователи и вычислитель, причем первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой и восьмой флюксметры, корпуса которых заземлены в одной точке, размещаются на диэлектрических креплениях в вершинах вертикально расположенного параллелепипеда с квадратным основанием, диагональ которого ориентирована в направлении с севера на юг, а высота параллелепипеда равна длине диагонали основания, при этом измерительные выходы первого, второго, третьего и четвертого флюксметров соединены со входами первого сумматора, измерительные выходы пятого, шестого, седьмого и восьмого флюксметров соединены со входами второго сумматора, выход первого сумматора подключен ко входам пятого вычитателя и третьего сумматора, выход второго сумматора подключен к другим входам пятого вычитателя и третьего сумматора, выход третьего сумматора через четвертый аналого-цифровой преобразователь соединен с четвертым входом вычислителя, а выход пятого вычитателя через третий аналого-цифровой преобразователь соединен с третьим входом вычислителя, выходы первого и второго флюксметров подключены ко входам первого вычитателя, а его выход - к одному из входов четвертого сумматора, выходы третьего и четвертого флюксметров подключены ко входам второго вычитателя, а его выход - к другому входу четвертого сумматора, выходы пятого и шестого флюксметров подключены ко входам третьего вычитателя, а его выход - к одному из входов пятого сумматора, выходы седьмого и восьмого флюксметров подключены ко входам четвертого вычитателя, а его выход - к другому входу пятого сумматора, выход четвертого сумматора через первый аналого-цифровой преобразователь соединен с первым входом вычислителя, выход пятого сумматора через второй аналого-цифровой преобразователь соединен со вторым входом вычислителя, выход вычислителя подключен к параллельному выходу устройства.
На чертежах представлены: на фиг.1 - структурная схема электростатического локатора носителей электрического заряда. На фиг.2 - схема пространственного расположения флюксметров в горизонтальной плоскости. На фиг.3 - схема пространственного расположения флюксметров в вертикальной плоскости в направлении север-юг. На фиг.4 - схема пространственного расположения флюксметров в вертикальной плоскости в направлении восток-запад.
На фиг.1 обозначены: первый 1, второй 2, третий 3, четвертый 4, пятый 5, шестой 6, седьмой 7 и восьмой 8 флюксметры; первый 9, второй 10, третий 11, четвертый 12 и пятый 13 вычитатели; первый 14, второй 15, третий 16, четвертый 17 и пятый 18 сумматоры; первый 19, второй 20, третий 21 и четвертый 22 аналого-цифровые преобразователи; вычислитель 23.
Блоки устройства работают следующим образом. Первый 1, второй 2, третий 3, четвертый 4, пятый 5, шестой 6, седьмой 7 и восьмой 8 флюксметры измеряют напряженность электростатического поля в точках их расположения и преобразуют результаты измерения в напряжения, пропорциональные напряженности. В первом сумматоре 14 складываются выходные сигналы первого 1, второго 2, третьего 3 и четвертого 4 флюксметров. Во втором сумматоре 15 складываются выходные сигналы пятого 5, шестого 6, седьмого 7 и восьмого 8 флюксметров. Входные сигналы первого 14 и второго 15 сумматоров складываются в третьем сумматоре 16 и вычитаются в пятом вычитателе 13. В четвертом аналого-цифровом преобразователе 22 входной аналоговый сигнал преобразуется в цифровую форму. В третьем аналого-цифровом преобразователе 21 входной аналого-цифровой сигнал также преобразуется в цифровую форму.
В первом вычитателе 9 выходной сигнал второго флюксметра 2 вычитается из выходного сигнала первого флюксметра 1. Во втором вычитателе 10 выходной сигнал четвертого флюксметра 4 вычитается из выходного сигнала третьего флюксметра 3. В третьем вычитателе 11 выходной сигнал шестого флюксметра 6 вычитается из выходного сигнала пятого флюксметра 5. В четвертом вычитателе 12 выходной сигнал восьмого флюксметра 8 вычитается из выходного сигнала седьмого флюксметра 7.
Выходные сигналы первого вычитателя 9 и второго вычитателя 10 складываются в четвертом сумматоре 17. Выходные сигналы третьего 11 и четвертого 12 вычитателей складываются в пятом сумматоре 18. В первом аналого-цифровом преобразователе 19 входной аналоговый сигнал преобразуется в цифровую форму. Во втором аналого-цифровом преобразователе 20 входной аналого-цифровой сигнал также преобразуется в цифровую форму.
Выходные сигналы первого 19, второго 29, третьего 21 и четвертого 22 аналого-цифровых преобразователей поступают на входы вычислителя 23, где на их основе вычисляется функция:
,
1
2
3
4
1
2
3
1
2
3
где x, x, х, x - выходные сигналы, соответственно, первого 19, второго 20, третьего 21 и четвертого 22 аналого-цифровых преобразователей. Для повышения точности измерения сигнал у и сигналы x, x, x могут быть в вычислителе 23 скорректированы на основе калибровочной зависимости и учета диаграммы чувствительности флюксметров. Измеренные составляющие вектора направления х, х, х и составляющая расстояния у с выхода вычислителя 23 в цифровой форме подаются на параллельный выход устройства для дальнейшего использования.
Принцип работы устройства заключается в следующем. Корпус перемещающегося объекта в результате трения о воздушную среду всегда приобретает определенный электрический заряд, сохраняющийся на нем долгое время из-за отсутствия электрического контакта с заземлением, а также он может дополнительно образовываться при работе электрических устройств на объекте. Электрический заряд объекта создает вокруг него электростатическое поле, различное в разных точках пространства и убывающее с расстоянием.
Флюксметры 1-8 с одинаковыми характеристиками преобразуют величину интенсивности электростатического поля в точках своего расположения в пропорциональные этой интенсивности электрические сигналы. Флюксметры размещаются в разных точках пространства и по соотношению сигналов с их выходов позволяют получить информацию о направлении на носитель электрического заряда и о дальности до него.
а
Конструктивно заявляемое устройство представляет собой крепления, поддерживающие флюксметры в вершинах вертикально расположенного параллелепипеда с квадратным основанием. (Вид сверху на конструкцию приведен на фиг.2, крупными точками обозначены места расположения флюксметров.) Диагонали квадратного основания равны а и размещены по линиям север-юг (обозначены, соответственно, N и S) и восток-запад (обозначены, соответственно, Е и W). Высота параллелепипеда также равна . На фиг.3 и фиг.4 показаны виды сбоку на конструкцию по направлениям N-S и E-W.
N
E
H
N
E
H
Пусть вектор R описывает направление в прямоугольной системе координат на носитель заряда, причем начало системы координат находится в геометрическом центре О электростатического флюксметра. Если координатные оси этой системы координат направить вдоль направления на север (O-N), вдоль направления на восток (O-Е) и вертикально вверх (O-Н), тогда его можно описать, как векторную сумму R=R+R+R, где векторы R, R и R направлены вдоль соответствующих координатных осей. Они образуют прямой трехгранный угол, соотношение их длин указывает направление на носитель заряда.
N
E
H
N
E
H
Направление электростатического поля, создаваемого в окружающем пространстве, убывает по мере удаления от носителя, т.е. направление убывания совпадает (с учетом обратного знака) с направлением вектора R. В заявляемом устройстве определяется величина убывания поля вдоль каждого координатного направления, тем самым измеряется с определенным одинаковым коэффициентом пропорциональности длина R, R и R составляющих R, R и R. Величина этого коэффициента пропорциональности значения не имеет, так как информация о направлении вектора заключена в соотношении длин составляющих.
а
Расстояние  в практических условиях много меньше расстояния L до лоцируемого носителя электрического заряда, поэтому можно считать, что:
,
,
,
N
S
E
W
NH
SH
EH
WH
NS
NS
H
где U, U, U, U - напряжения на выходах флюксметров, расположенных в вершинах нижнего основания параллелепипеда по направлениям, соответственно, севера, юга, востока и запада; U, U, U, U - напряжения на выходах флюксметров, расположенных в вершинах верхнего основания параллелепипедапо направлениям, соответственно, севера, юга, востока и запада; α - коэффициент пропорциональности, Δ, Δ, и Δ - напряжения на выходах сумматоров 17, 18 и вычитателя 13.
Поскольку информация о соответствующих горизонтальных составляющих заключена в разности сигналов как верхних флюксметров, так и нижних, то для повышения точности суммируются соответствующие разностные сигналы и верхних и нижних флюксметров. Также для повышения точности измерения вертикальной составляющей используется разность суммарных сигналов всех верхних и всех нижних флюксметров.
Соответствующие суммы и разности находятся в вычитателях 9-13 и сумматорах 14 и 15. Результаты измерений оцифровываются в аналого-цифровых преобразователях 19-21 и подаются вход вычислителя 23 для дальнейшего использования.
-γ
Для оценки расстояния до носителя электрического заряда используется известный факт, что величина электростатического поля φ убывает примерно обратно пропорционально степенной функции от расстояния до носителя L, т.е. φ=βL, где β и γ - некоторые положительные константы. Тогда скорость изменения величины поля вдоль расстояния до носителя равна:
.
Отношение величины поля в измеряемой точке к скорости убывания поля равно:
,
т.е. пропорционально расстоянию до объекта, поэтому это отношение используется, как мера расстояния.
Известно, что производная по произвольному направлению определяется через производные по координатным осям любой выбранной прямоугольной системы координат, как:
.
В качестве прямоугольных осей можно рассматривать направления ON, ОЕ, ОН. Поскольку величина а много меньше расстояния до носителя L, то можно считать, что производная по каждому направлению с большой точностью пропорциональна разности напряжений соответствующих флюксметров, т.е.:
NS
a
dφ/dx=kΔ/2,
EW
a
dφ/dy=kΔ/2,
H
a
dφ/dz=kΔ/4,
где k - коэффициент преобразования величины электростатического поля в выходное напряжение флюксментров.
Потенциал в геометрическом центре параллелепипеда равен:
N
S
E
W
NH
SH
EH
WH
0
φ=k(U+U+U+U+U+U+U+U)/8=kU/8.
Таким образом, расстояние до носителя электрического заряда пропорционально величине . Эта величина вычисляется в вычислителе и в цифровой форме подается на выход устройства для дальнейшего использования. На выход устройства также для дальнейшего использования подаются в цифровой форме сигналы, вырабатываемые первым 19, вторым 20 и третьим 21 аналого-цифровыми преобразователями, позволяющие определить направление на носитель заряда.
В случае необходимости точность определения направления и дальности может быть повышена путем введения в вычислитель данных о диаграммах направленности флюксметров и калибровочной кривой зависимости напряженности поля от расстояния, предварительно снятые пробными эталонными измерениями. На основе этих эталонных измерений вычислитель вносит необходимые поправки в величины, используемые для вычислений.
Таким образом, применение предлагаемого технического решения позволяет повысить точность определения направления на носитель электрического заряда и расстояния до него, а также расширить универсальность применения локатора.