ОДНОПУНКТОВАЯ СИСТЕМА МЕСТООПРЕДЕЛЕНИЯ ГРОЗ В БЛИЖНЕЙ ЗОНЕ
SINGLE-POINT SYSTEM OF POSITIONING STORMS IN CLOSE ZONE

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах определения местоположения источников грозовых разрядов в системах сбора и обработки метеорологической информации.
Существующие методы [Кононов И.И., Юсупов И.Е., Кандарацков Н.В. Анализ однопунктовых методов пассивной локации грозового разряда // Известия вузов. Радиофизика. 2013. Т. 56, №11/12. С. 875-888] позволяют эффективно определять параметры разрядов, однако они не гарантируют достаточную устойчивость и быстродействие для обработки сигналов предгрозового излучения. Для решения этих задач предлагается использовать спектральный метод [Панюков А.В., Богушов А.К. Спектрально-статистический подход к проблеме идентификации параметров положения дипольного источника электромагнитного излучения // VII Российская конференция по атмосферному электричеству (Санкт-Петербург, 24-28 сентября 2012). Сборник трудов. СПб: ГГО им. А.И. Воейкова. С. 179-181.], он позволяет построить множество оценок положения и принимать окончательную оценку по результатам анализа всей совокупности измерений и достигая, таким образом, устойчивость для всевозможных вариаций параметров источника излучения. Спектральный метод позволяет получать более устойчивые решения по сравнению с другими методами при более низких требованиях к вычислительным ресурсам, кроме того, алгоритм обладает естественным параллелизмом и позволяет успешно перенести вычисления на гетерогенные системы.
Наиболее близким по технической сущности является однопунктовая система местоопределения гроз [Патент РФ 2230336, МПК G01S 5/16. «Однопунктовая система местоопределения гроз в ближней зоне», опубл. 10.03.04], которая содержит антенную систему с электрической и взаимно перпендикулярными рамочными антеннами, полосовые фильтры по числу антенн, блок предобработки сигналов с аналого-цифровыми преобразователями по числу антенн, канал связи и компьютер, выполняющий функции сбора и обработки полученных сигналов, фонового и целенаправленного тестирования системы и осуществляющий мониторинг и исследование грозовой активности, визуализацию и анализ накопленных данных, причем выходы антенн через полосовые фильтры соединены с входами соответствующих аналого-цифровых преобразователей блока предобработки, который через канал связи соединен с компьютером.
Недостатком этой системы можно считать отсутствие возможности регистрации предгрозового излучения. Это связано с ограничениями на динамический диапазон принимаемых сигналов, недостаточно высокое быстродействие системы, отсутствие учета интерференции сигналов.
Технический результат изобретения заключается в расширении динамического диапазона, увеличении быстродействия и, как следствие, учете интерференции в принимаемых сигналах и получении возможности определять местоположение источника предгрозового излучения.
Технический результат достигается тем, что в однопунктовую систему местоопределения гроз в ближней зоне, содержащую антенную систему с электрической и взаимно перпендикулярными рамочными антеннами, согласно изобретению дополнительно введены три блока усилителей, количество аналого-цифровых преобразователей (далее АЦП) равно количеству усилителей, при этом выход каждой из антенн соединен с соответствующим блоком усилителей, выход каждого усилителя подсоединен к входу соответствующего АЦП. Блок предобработки содержит модуль селекции-синтеза, модуль пеленгации и обнаружения интерференции, модуль преобразования Фурье и оценок параметров положения для каждой гармоники, модуль определения окончательных оценок параметров положения источника ЭММИ, при этом модуль селекции-синтеза имеет количество входов, равное количеству элементарных усилителей и аттенюаторов в блоке усилителей, выход каждого модуля селекции-синтеза подключен к модулю пеленгации и обнаружения интерференции, выходы которого соединены с модулем преобразования Фурье и оценок параметров положения для каждой гармоники, выходы которых подключены к модулю определения окончательных оценок параметров положения источника ЭМИ.
Введение блоков усилителей позволяет расширить динамический диапазон принимаемых системой сигналов и обеспечить их более точную регистрацию.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 показана функциональная схема системы;
на фиг. 2 показана функциональная схема блока предобработки сигналов;
на фиг. 3 показана схема функционирования программно-аппаратного комплекса.
Устройство содержит антенную систему с электрической 1 и взаимно перпендикулярными 2, 3 рамочными антеннами, блок предобработки сигналов 4, канал связи 5 и сервер 6 (фиг. 1).
Блок предобработки 4 представляет специализированный компьютер, содержащий блоки усилителей 7, 8, 9, системную шину 16 и подключенные к ней выходы аналого-цифровых преобразователей 10, 11, 12, центральный процессор 14, блок памяти 15, коммуникационное устройство 13 (фиг. 2).
Выходы антенн 1, 2, 3 соединены с блоками усилителей 7, 8, 9, выходы которых соединены с входами аналого-цифровых преобразователей 10, 11, 12 блока предобработки 4. Коммуникационное устройство 13 блока предобработки 4 посредством канала связи 5 соединено с сервером 6 (фиг. 1).
Устройство работает следующим образом.
x
y
x
y
Молниевый разряд наводит в точке наблюдения электромагнитное поле. Вертикальная составляющая электрического поля e(t) и ортогональные проекции горизонтальной составляющей магнитного поля h(t), h(t) улавливаются антеннами 1, 2, 3 соответственно. Сигналы e(t), h(t), h(t) через блоки усилителей 7, 8, 9 соответственно поступают на входы аналого-цифровых преобразователей 10, 11, 12 блока предобработки сигналов 4. После преобразования в цифровую форму сигналы представлены отсчетами мгновенных значений в дискретные моменты времени. Процессор 14 выполняет загруженное в него программное обеспечение [Программное обеспечение задачи идентификации местоположения дипольного источника электромагнитного излучения «Lightning Detector» http://wwwl.fips.ru/Archive/EVM/2014/2014.02.20/DOC/RUNW/000/002/014/610/201/document.pdf], функциональная диаграмма которого представлена на фиг. 3. Программное обеспечение содержит модули 17, 18, 19 селекции-синтеза, модуль 20 пеленгации и обнаружения интерференции, модуль 21 спектрального анализа, модуль 22 статистического анализа и расчета параметров положения источника излучения.
Функциональное назначение отдельных модулей состоит в следующем.
x
y
1. Модули селекции-синтеза 17, 18, 19 осуществляют выбор в блоке памяти 15 кадров с оцифрованными сигналами e(t), h(t), h(t) максимальной амплитуды и без переполнения. Это обеспечивает максимальное отношение «сигнал/шум».
2. Модуль 20 пеленгации и обнаружения интерференции осуществляет решение задачи о наличии интерференции сигналов от нескольких источников [Богушов А.К., Панюков А.В. Пеленгование грозовых разрядов в условиях интерференции сигналов // Наука ЮУрГУ: материалы 62-й научной конференции. Секция экономики, управления и права. Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2010. - Т. 3. - С. 171-173.], а также определения пеленга на источник излучения.
3. В случае отсутствия интерференции модуль 21 осуществляет преобразования Фурье сигналов e(t), h(t) и для каждой гармоники вычисляет интервальные оценки параметров положения [Кононов И.И., Юсупов И.Е., Кандарацков Н.В. Анализ однопунктовых методов пассивной локации грозового разряда // Известия вузов. Радиофизика. 2013. Т. 56, №11/12. С. 875-888].
4. Модуль 21 определяет окончательные оценки параметров положения источника ЭМИ на основе статистического анализа отношения «сигнал/шум» и оценок положения, полученных для каждой гармоники [Панюков А.В., Богушов А.К. Спектрально-статистический метод идентификации параметров положения дипольного источника электромагнитного поля // XII Всероссийское совещание по проблемам управления (ВСПУ-2014). Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН. 2014. С. 3115-3128.], которые передаются по каналу связи 5 на сервер 6.
Программное обеспечение сервера 6 обеспечивает прием данных по каналу связи 5 и сохранение их в базе данных. Кроме того, данное программное обеспечение осуществляет решение задач мониторинга и исследования грозовой активности, визуализацию и анализ накопленных данных.
Блоки 7, 8, 9 усилителей состоят из нескольких аттенюаторов и элементарных усилителей с различными характеристиками. Количество выходов каждого блока соответствует количеству используемых аттенюаторов и элементарных усилителей.
Блок предобработки 4 технически может быть реализован с помощью платформы Zynq-7000 компании Xilinx [http://www.xilinx.com/products/silicon-devices/soc/zynq-7000.html1. Однокристальное решение обеспечивает низкое энергопотребление при высокой производительности процессорной системы ARM Cortex А9 и программируемой логики Artix/Kintex7. Платформа имеет встроенные АЦП с 17 внешними мультиплексируемыми каналами с частотой выборки до 1 МГц [http://www.xilinx.com/products/technology/analog-mixed-signal.html]. Такое решение гарантирует до 5 выходов каждому блоку усилителей. Кроме того, платформа обладает всеми необходимыми устройствами для коммуникации с сервером 6.
Сервер 6 имеет стандартную архитектуру. В частности, он снабжен коммуникационным устройством, аналогичным коммуникационному устройству 13 блока предобработки 4 (фиг. 2), а также блоками ввода/вывода пользовательской информации (не показаны). Сервер 6 может быть реализован с помощью IBM PC компьютера, который имеет сетевую карту стандарта Ethernet.
Таким образом, поставленная техническая задача решается тем, что в устройство добавлены блоки усилителей, которые позволяют расширить динамический диапазон принимаемых сигналов, а специализированное программное обеспечение дает возможность обрабатывать сигналы предгрозового излучения.