Базовая станция дистанционного зондирования атмосферы
BASE STATION FOR REMOTE PROBING OF ATMOSPHERE

Изобретение относится к радиотехнике и радиоэлектронике, предназначено для дистанционного зондирования атмосферы и может быть использовано в радиолокации, навигации и связи.
Известен ионозонд-пеленгатор (прототип), содержащий два радиоприемных устройства (РПУ) с общим гетеродином, которым является ЛЧМ генератор, GPS-приемник с антенной, блок временной синхронизации, разветвитель, антенный коммутатор, опорный генератор, первое РПУ, второе РПУ, двухканальный АЦП, многопоточный вычислитель [1].
При всех достоинствах известного ионозонда-пеленгатора, он не позволяет проводить измерения допплеровского сдвига частоты отраженного сигнала в режиме линейной частотной модуляции (ЛЧМ).
Положительный технический результат - возможность получения амплитудно-частотных и дистанционно-частотных характеристик (АЧХ и ДЧХ) радиолиний на трассах различной протяженности и ориентации, а также проводить измерения допплеровского сдвига частоты отраженного радиосигнала - достигается за счет того, что в базовую станцию дистанционного зондирования атмосферы, состоящую из передающей и приемной частей; передающая часть содержит двухсистемный приемник навигационных сигналов ГЛОНАСС/GPS с антенной; широкополосный усилитель мощности, антенно-фидерное устройство; приемная часть содержит антенно-фидерное устройство; аналого-цифровой преобразователь (двухканальный АЦП), двухсистемный приемник навигационных сигналов ГЛОНАСС/GPS, причем новым является то, что введены два синхронометра (в передатчик и приемник), два цифровых вычислительных синтезатора, цифровой гетеродин, ЭВМ и монитор; передающая часть базовой станции ДЗ атмосферы содержит последовательно соединенные синхронометр, цифровой вычислительный синтезатор, усилитель мощности, антенно-фидерное устройство; приемная часть содержит последовательно соединенные антенно-фидерное устройство, усилитель высокой частоты, аналого-цифровой преобразователь, цифровой гетеродин, выход которого через LAN порт соединен с ЭВМ; двухсистемный приемник навигационных сигналов ГЛОНАСС/GPS, выход которого подключен к опорному входу синхронометра; выходы синхронометра подключены к соответствующим входам цифрового вычислительного синтезатора; квадратурные выходы цифрового вычислительного синтезатора I и Q подключены к входам цифрового гетеродина; ЭВМ через порт USB соединяется с цифровым вычислительным синтезатором; монитор подключен к выходу ЭВМ.
Базовая станция дистанционного зондирования атмосферы (фиг. 1) состоит из передающей и приемной частей.
Передающая часть содержит двухсистемный приемник навигационных сигналов ГЛОНАСС/GPS 1; синхронометр 2; цифровой вычислительный синтезатор 3; широкополосный усилитель мощности 4; антенно-фидерное устройство 5.
Приемная часть содержит антенно-фидерное устройство 6; усилитель высокой частоты 7; аналого-цифровой преобразователь (двухканальный АЦП) 8; цифровой гетеродин DDC 9; цифровой вычислительный синтезатор 10; синхронометр 11; двухсистемный приемник навигационных сигналов ГЛОНАСС/GPS 12; ЭВМ 13; монитор 14.
Передающая часть базовой станции ДЗ атмосферы содержит двухсистемный приемник навигационных сигналов ГЛОНАСС/GPS 1, который подключен к опорному входу синхронометра 2, выход которого подключен к тактовому входу ЦВС; последовательно соединенные цифровой вычислительный синтезатор 3, усилитель мощности 4; антенно-фидерное устройство 5.
Приемная часть базовой станции ДЗ атмосферы содержит последовательно соединенные антенно-фидерное устройство 6; усилитель высокой частоты 7; аналого-цифровой преобразователь 8; цифровой гетеродин DDC 9, выход которого через LAN порт соединен с ЭВМ 13; двухсистемный приемник навигационных сигналов ГЛОНАСС/GPS 12, выход которого подключен к опорному входу синхронометра 11; выходы синхронометра подключены к соответствующим входам цифрового вычислительного синтезатора; квадратурные выходы цифрового вычислительного синтезатора I и Q подключены к входам цифрового гетеродина 9, который осуществляет преобразование высокой частоты в промежуточную; ЭВМ 13 через порт USB управляет режимами работы цифрового вычислительного синтезатора 10; монитор 14 подключен к выходу ЭВМ 13.
Базовая станция дистанционного зондирования атмосферы работает следующим образом.
Синхронометр 2 вырабатывает «синусоидальный» сигнал опорной частоты, который поступает на тактовый вход цифрового вычислительного синтезатора 3, также синхронометр 2 вырабатывает импульс запуска для ЦВС 3. Для увеличения точности поддержания частоты в синхронометре 2 и привязке импульса запуска к сигналам точного времени используется двухсистемный приемник навигационных сигналов ГЛОНАСС/GPS 1.
Сигнал с выхода ЦВС 3 подается на усилитель мощности 4 и через антенно-фидерное устройство 5 излучается в атмосферу Земли.
Приемная часть базовой станции дистанционного зондирования атмосферы работает следующим образом.
Антенно-фидерное устройство 6 принимает отраженный сигнал, который поступает на вход усилителя высокой частоты 7, и затем повергается аналого-цифровому преобразованию в АЦП 8. Сигнал с выхода АЦП 8 подается на цифровой гетеродин 9, на второй и третий входы которого поступают квадратурные сигналы с выхода ЦВС 10.
Синхронометр 11 вырабатывает сигнал опорной частоты для ЦВС 10, а также импульс запуска ЦВС 10. Для увеличения точности частоты синхронометра 11 служит двухсистемный приемник навигационных сигналов ГЛОНАСС/GPS 12, выход которого подключен к опорному входу синхронометра 11.
Сигнал промежуточной частоты с выхода цифрового гетеродина DDC 9 через LAN порт поступает на вход ЭВМ 13, которая осуществляет цифровую обработку принятого сигнала при помощи специализированного программного обеспечения. Монитор 14 подключен к ЭВМ 13 и служит для отображения АЧХ, ДЧХ и сонограмм допплеровсого сдвига частоты отраженного сигнала. При помощи ЭВМ 13 через порт USB можно задавать режимы работы цифрового вычислительного синтезатора 10.
В качестве цифрового вычислительного синтезатора используется или ЦВС частотно-модулированных сигналов [2], или синтезатор с V-образным законом модуляции частоты [3].
Первый из перечисленных синтезаторов формирует пилообразный ЛЧМ сигнал, который используется для построения АЧХ и ДЧХ; второй - ЧМ сигнал с V-образным законом модуляции частоты и используется для построения допплеровских сонограмм.
Возможны два режима работы базовой станции.
Во-первых, это режим построения АЧХ и ДЧХ радиолинии.
Предварительно составляют расписание работы передатчика, где указывается время синхронизации, начальная частота излучения, скорость изменения частоты передатчика, минуту запуска и длительность снятия ДЧХ и АЧХ.
Передатчик базовой станции излучает реперный ЛЧМ сигнал длительностью 1 секунда (это режим синхронизации). На приемном конце радиолинии, изменяя задержку момента запуска Δt ЦВС, добиваются появления гармонического тонального сигнала; при этом отраженный сигнал попадает в полосу пропускания приемника.
После синхронизации аппаратуры производится дистанционное зондирование атмосферы Земли (частота передатчика изменяется по пилообразному закону, как показано на фиг. 2).
ЭВМ на приемном конце радиолинии производит предварительную обработку информации. Амплитуда огибающей изменяется во времени, но построение АЧХ соответствует определенной частоте зондирующего сигнала
Где U(f) - АЧХ радиолинии;
Δt - задержка запуска ЦВС приемника;
ƒ' - скорость изменения частоты.
ДЧХ строится следующим образом.
При помощи программного БПФ (быстрое преобразование Фурье) вычисляется спектр принятого сигнала; затем производится срез спектрограммы во времени по определенному уровню компарирования. Далее эти срезы записываются в разные моменты времени, тем самым строится ДЧХ:
гр
где t(F) - время группового запаздывания;
n
t(ƒ) - n-я мода сигнала.
Во-вторых, это режим построения сонограмм.
1/2
Передатчик излучает ЧМ сигнал с V-образным законом модуляции (см. фиг. 3). ЧМ сигнал состоит из двух фаз Т, сначала частота передаваемого сигнала нарастает, а затем убывает. При этом при положительной фазе изменения частоты принимаемый сигнал описывается формулой
На отрицательной фазе
пр
F - частота принимаемого сигнала;
допплера
F - частота Допплера.
Таким образом, точность данного метода в 2 раза выше по сравнению с известными методами построения сонограмм на фиксированных частотах.
Приемная часть осуществляет БПФ преобразование и строится сонограмма с определенным уровнем компарирования в зависимости от частоты отраженного сигнала, (см. формулу (2)).
Следовательно, базовая станция дистанционного зондирования атмосферы позволяет строить АЧХ и ДЧХ радиолиний, а также может быть использована для построения допплеровских сонограмм.
Литература
1. Патент №2399062 Российской Федерации. МПК G01S 1/08. Ионосферный зонд-пеленгатор / Вертоградов Г.Г., Урядов В.П., Вертоградов В.Г., Курбатко СВ. Заявл. 15.07.2009. Опубл. 10.09.2010. Бюл. №25. - 16 с. (прототип).
2. Патент №2204197 Российской Федерации. МПК H03L 7/18. Цифровой синтезатор частотно-модулированных сигналов / Рябов КВ., Рябов В.И. Заявл. 13.03.2001. Опубл. 10.05.2003. Бюл. №13.- 4 с.
3. Патент №2407144 Российской Федерации. МПК H03L 7/18. Синтезатор с V-образным законом модуляции частоты / Рябов КВ., Дедов А.Н., Юрьев ИМ. Заявл. 22.06.2009. Опубл. 20.12.2010. Бюл. №35. - 4 с.