Способ определения электронной концентрации в заданной области ионосферы и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к радиолокации, в частности к радиотехническим измерениям параметров ионосферы методом некогерентного расселения с использованием эффекта Фарадея, и может быть использовано для определения концентрации электронов в заданном тонком слое ионосферной плазмы, которая зависит от наличия и концентрации радиоактивных примесей в наблюдаемой зоне атмосферы, например над атомной электростанцией. Техническим результатом изобретения является повышение помехоустойчивости и точности измерения фазового сдвига между обыкновенной и необыкновенной компонентами отраженного сигнала. Устройство для определения электронной концентрации в заданной области ионосферы содержит синхронизатор, передатчик, передающую антенну, блок временной задержки, первую и вторую приемные антенны, первый и второй приемники, первый ключ, гетеродин, первый и второй смесители, первый и второй усилители промежуточной частоты, первый и второй перемножители, первый и второй узкополосные фильтры, амплитудный ограничитель, фазометр, вычислительный блок, блок сравнения, второй ключ, индикатор, первый и второй фазовращатели на 90^o, сумматор, амплитудный детектор, третий ключ. 2 ил.

Предлагаемый способ и устройство относятся к радиолокации, в частности к радиотехническим измерениям параметров ионосферы методом некогерентного рассеяния с использованием эффекта Фарадея, и могут быть использованы для определения концентрации электронов в заданном тонком слое ионосферной плазмы, которая зависит от наличия и концентрации радиоактивных примесей в наблюдаемой зоне атмосферы, например над атомной электростанцией.

Известны способы и устройства дистанционного определения состояния наблюдаемой зоны атмосферы (авт. свид. СССР 809020, 836611, 1027661, 1027661, 1107079, 1111582, 1128211, 1146616, 1608597, 1661701, 1679426, 1688215; патент РФ 2018872, 2020512, 2020513, 2161808; Григоренко Е.И. Исследования ионосферы по наблюдениям эффекта Фарадея при некогерентном рассеянии радиоволн. Сб. Ионосферные исследования, 27 - М.: Сов. радио, 1979, с. 6-73; Ткачева Г. Н. , Карлова В.Д. Измерение разности фаз между обыкновенными и необыкновенными компонентами сигнала, рассеянного на тепловых флюктуациях электронной концентрации ионосферы. Сб. "Вестник ХПИ", 183, г. Харьков, 1981 и другие).

Из известных способов и устройств наиболее близкими к предлагаемым являются "Способ определения электронной концентрации в заданной области ионосферы и устройство для его осуществления" (патент РФ 2161808, G 01 S 13/95, 1999), которые и выбраны в качестве ближайших прототипов.

Электронную концентрацию в заданной области ионосферы по известному способу определяют путем формирования направленного импульсного излучения плоскополяризованной электромагнитной волны с несущей частотой fc. Когда плоскополяризованная электромагнитная волна отражается от ионизированной зоны, на которую воздействует внешнее магнитное поле Земли, то она разделяется на две независимые составляющие, которые в общем случае имеют эллиптическую поляризацию с противоположными направлениями вращения. На частотах дециметрового диапазона обе составляющие, которые носят названия обыкновенной и необыкновенной волны, имеют круговую поляризацию. Обе волны распространяются в ионизированной среде с различными скоростями, вследствие чего фазовые соотношения между этими волнами непрерывно изменяются. Это явление обычно называется эффектом Фарадея, из-за которого отраженный сигнал испытывает вращение плоскости поляризации. Угол поворота плоскости поляризации, который определяется разной скоростью распространения обыкновенной и необыкновенной волн, находится из соотношения ϕ_z = 1/2•(ϕ₂-ϕ₁), где ϕ₁, ϕ₂ - фазовые запаздывания обыкновенной (вращение плоскости поляризации по часовой стрелке) и необыкновенной (вращение плоскости поляризации против часовой стрелки) волн соответственно.

В процессе некогерентного рассеяния ионизированной зоны атмосферы на результат измерения разности фаз оказывает влияние нестабильность амплитуды и несущей частоты отраженного сигнала.

Однако в известных способе и устройстве одно и то же значение промежуточной частоты f_пр может быть получено в результате приема отраженных сигналов на двух частотах f_c и f_з, т.е.

f_пp=f_c-f_г и f_пp=f_г-f_з.

Следовательно, если частоту настройки f_c принять за основной канал приема, то наряду с ним будет иметь место зеркальный канал приема, частота f_з которого отличается от частоты f_c на 2f_пp и расположена симметрично (зеркально) относительно частоты _г гетеродина (фиг.2). Преобразование по зеркальному каналу приема происходит с тем же коэффициентом преобразования K_пp, что и по основному каналу. Поэтому он наиболее существенно влияет на избирательность и помехоустойчивость способа.

Кроме зеркального существуют и другие дополнительные (комбинационные) каналы приема. В общем виде любой комбинационный канал приема имеет место при выполнении условия f_пp=/±mf_ki±nf_г/, где f_ki - частота i-гo комбинационного канала приема; m, n, i - целые положительные числа, включая n=0.

Наиболее вредными комбинационными каналами приема являются каналы, образующиеся при взаимодействии первой гармоники сигнала с гармониками гетеродина малого порядка (второй, третье и т.д.), так как чувствительность способа по этим каналам близка к чувствительности основного канала. Так, два комбинационных канала при m=1 и n=2 соответствуют частотам f_ki=2f_г-f_np и f_k2=2f_г-f_np.

Наличие ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам, приводит к снижению помехоустойчивости и снижению точности измерения фазового сдвига Δϕ между обыкновенной и необыкновенной компонентами отраженного сигнала.

Технической задачей изобретения является повышение помехоустойчивости и точности измерения фазового сдвига между обыкновенной и необыкновенной компонентами отраженного сигнала.

Поставленная задача решается тем, что согласно способу определения электронной концентрации в заданной области ионосферы, включающему направленное импульсное излучение плоскополяризованной электромагнитной волны с несущей частотой f_c, прием обыкновенной и необыкновенной компонент сигнала некогерентного рассеяния ионосферы и вычисление электронной концентрации по формуле где М(г) - известная продольная составляющая геомагнитного поля; г - дальность;
c - скорость света;
Δϕ = ϕ₂-ϕ₁ - разность фаз между обыкновенной и необыкновенной компонентами отраженного сигнала;
t₁, t₂ - моменты времени, соответствующие задержкам сигнала, отраженного от передней и дальней границ ионизированной зоны, преобразование по частоте необыкновенной компоненты отраженного сигнала, выделение первого напряжения промежуточной частоты, выделение гармонического напряжения на стабильной частоте гетеродина f_г, ограничении его по амплитуде, измерении разности фаз Δϕ на стабильной частоте f_г гетеродина, сравнении вычисленного значения электронной концентрации N_c(г) с эталонным значением электронной концентрации N_э(г) и по результатам сравнения принятие решения о наличии и концентрации радиоактивных примесей в заданной области ионосферы, сдвигают по фазе на 90^o напряжение гетеродина, используют его для преобразования по частоте необыкновенной компоненты отраженного сигнала, выделяют второе напряжение промежуточной частоты, сдвигают его по фазе на 90^o и суммируют с первым напряжением промежуточной частоты, а затем суммарное напряжение перемножают с обыкновенной компонентой отраженного сигнала.

Поставленная задача решается тем, что в устройство для определения электронной концентрации в заданной области ионосферы, включающее последовательно соединенные синхронизатор, передатчик и передающую антенну плоскополяризованной волны, последовательно соединенные первую приемную антенну, приемник обыкновенной волны, первый ключ, второй вход которого через блок временной задержки соединен с вторым выходом синхронизатора, первый перемножитель, первый узкополосный фильтр, амплитудный ограничитель, фазометр, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина, вычислительный блок, блок сравнения, второй ключ, второй вход которого соединен с выходом вычислительного блока, и индикатор, последовательно соединенные вторую приемную антенну, приемник необыкновенной волны, первый смеситель, второй вход которого соединен с вторым выходом гетеродина, и первый усилитель промежуточной частоты, введены два фазовращателя на 90^o, второй смеситель, второй усилитель промежуточной частоты, сумматор, второй перемножитель, второй узкополосный фильтр, амплитудный детектор и третий ключ, причем к первому выходу гетеродина последовательно подключены первый фазовращатель на 90^o, второй смеситель, второй выход которого соединен с выходом приемника необыкновенной волны, второй усилитель промежуточной частоты, второй фазовращатель на 90^o, сумматор, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом приемника необыкновенной волны, второй узкополосный фильтр, амплитудный детектор и третий ключ, второй вход которого соединен с выходом сумматора, а выход подключен к второму входу первого перемножителя.

Сущность предлагаемого способа основана на подавлении ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам. При этом для подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и первому комбинационному каналу, используется фазокомпенсационный метод, а для подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по второму комбинационному каналу, используется метод узкополосной фильтрации.

Предлагаемый способ реализуется устройством, структурная схема которого представлена на фиг.1.

Устройство содержит последовательно включенные синхронизатор 1, передатчик 2 и передающую антенну 3 с линейной поляризацией, последовательно включенные первую приемную антенну 5 с правой круговой поляризацией, первый приемник 7, первый ключ 9, второй вход которого через блок 4 временной задержки соединен с вторым выходом синхронизатора 1, перемножитель 13, первый узкополосный фильтр 14, амплитудный ограничитель 15, фазометр 16, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина 10, вычислительный блок 17, блок 18 сравнения, второй ключ 19, второй вход которого соединен с выходом вычислительного блока, и индикатор 20. К выходу второй приемной антенны 6 с левой круговой поляризацией последовательно подключены второй приемник 8, смеситель 11, второй вход которого соединен с вторым выходом гетеродина 10, первый усилитель 12 промежуточной частоты, сумматор 25, второй перемножитель 26, второй вход которого соединен с выходом приемника 8, второй узкополосный фильтр 27, амплитудный детектор 28 и третий ключ 29, второй вход которого соединен с выходом сумматора 25, а выход подключен к второму входу перемножителя 13. К первому выходу гетеродина 10 последовательно подключены первый фазовращатель 21 на 90^o, второй смеситель 22, второй вход которого соединен с выходом второго приемника 8, второй усилитель 23 промежуточной частоты и второй фазовращатель 24 на 90^o, выход которого соединен с вторым входом сумматора 25.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Блок синхронизации 1 формирует стабильные прямоугольные видеоимпульсы с известным периодом следования Т_сл и длительностью T_u, которые периодически запускают передатчик 2. Последний формирует высокочастотный зондирующий сигнал с плоской поляризацией:
U_c(t) = V_c•Cos(2π•f_c•t+ϕ_c), 0≤t≤T_u,
где V_c, f_c, ϕ_c, T_u - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность зондирующего сигнала,
который через передающую антенну 3 излучается в направлении заданной зоны атмосферы. Отраженный сигнал принимается приемными антенами 5 и 6. При этом приемная антенна 5 восприимчива только к сигналу с правой круговой поляризацией (обыкновенная компонента), а антенна 6 - только к сигналу с левой круговой поляризацией (необыкновенная компонента). На выходе приемников 7 и 8 образуются сигналы
U_o(t) = V_o(t)•Cos[2π•(f_c±Δf)•t+ϕ₁],
U_н(t) = V_н(t)•Cos[2π•(f_c±Δf)•t+ϕ₂], 0≤t≤T_u,
где индексы "О" и "Н" относятся соответственно к обыкновенной и необыкновенной волнам;
V_o(t), V_н(t) - огибающие обыкновенной и необыкновенной волн;
±Δf - нестабильность несущей частоты, обусловленной некогерентным расселением ионизированной среды.

Сигнал U_о(t) с выхода приемника 7 и через ключ 9 поступает на первый вход перемножителя 13. Чтобы измеряемая разность фаз соответствовала заранее выбранной дальности, перемножитель 13 стробируется по времени с помощью ключа 9, на управляющий вход которого поступают короткие прямоугольные импульсы от блока 4 временной задержки.

Сигнал U_н(t) с выхода приемника 8 поступает на первые входы смесителей 11 и 22, на вторые входы которых подаются напряжения гетеродина 10 со стабильной частотой f_г:


где V_г, f_г, ϕ_Г - амплитуда, частота и начальная фаза напряжения гетеродина.

На выходе смесителей 11 и 22 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 12, 23 выделяются напряжения промежуточной (разностной) частоты:

0≤t≤T_u,
где U_пp(t)=1/2K₁•V_н(t) •V_г;
K₁ - коэффициент передачи перемножителя;
f_пp=f_c-f_г - промежуточная частота;
ϕ_пр = ϕ₂-ϕ_Г.
Напряжение U_пp2(t) с выхода усилителя 23 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 24 на 90^o, на выходе которого образуется напряжение
0≤t≤T_u.

Напряжения U_пp1(t) и U_пp3(t) поступают на два входа сумматора 25, на выходе которого образуется суммарное напряжение
U_Σ(t) = V_Σ(t)•Cos[2π•f_пр±Δf)•t+ϕ_пр], 0≤t≤T_u,
где V_Σ(t)=2V_пp(t).

Напряжение U_Σ(t) с выхода сумматора 25 поступает на второй вход перемножетеля 26, на второй вход которого поступает принимаемый сигнал U_н(t). На выходе последнего образуется гармоническое напряжение
U₁(t) = V₁•Cos(2π•f_Г•t+ϕ_Г), 0≤t≤T_u,
где V₁(t) = 1/2K₂•V_Σ(t)•V_н(t);
К₂ - коэффициент передачи перемножителя.

Так как частота настройки f_н2 узкополосного фильтра 27 выбрана равной частоте f_г гетеродина 10, то гармоническое напряжение выделяется узкополосным фильтром 27, детектируется амплитудным детектором 28 и поступает на управляющий вход ключа 29, открывая его. В исходном состоянии ключи 19 и 29 всегда закрыты. Напряжение U_Σ(t) с выхода сумматора 25 через открытый ключ 29 поступает на второй вход перемножителя 13. На выходе последнего образуется гармоническое напряжение
U₂(t) = V₂•Cos(2π•f_Г•t+ϕ_Г+Δϕ), 0≤t≤T_u,
где V₂(t) = 1/2K₂•V₆(t)•V_Σ(t);
Δϕ = ϕ₂-ϕ₁,
которое выделяется узкополосным фильтром 14, частота настройки f_н которого выбирается равной частоте f_г гетеродина 10, и поступает на вход амплитудного ограничителя 15. На выходе последнего образуется напряжение
U₃(t) = V_огр•Cos(2π•f_Г•t+ϕ_Г+Δϕ), 0≤t≤T_u,
где V_огр - порог ограничения,
которое поступает на первый вход фазометра 16, на второй вход которого подается напряжение U_г(t) гетеродина 10. Измеренное значение разности фаз между необыкновенной и обыкновенной компонентами отраженного сигнала
Δϕ = ϕ₂-ϕ₁
с выхода фазометра 16 поступает на вход вычислительного блока 17, где определяется электронная концентрация заданной зоны атмосферы по формуле

где М(г) - известная продольная составляющая геомагнитного поля;
г - дальность до ионизированной зоны атмосферы;
с - скорость света;
t₁, t₂ - моменты времени, соответствующие задержкам сигнала, отраженного от передней и дальней границ ионизированной зоны.

В блоке 18 сравнения осуществляется сравнение вычисленной электронной концентрации N_c(г) с эталонной электронной концентрацией N_э(г). Если N_c(г)>N_э(г), то это обстоятельство является признаком присутствия в заданной зоне атмосферы радиоактивных примесей. При выполнении неравенства N_с(г)>N_э(г) в блоке 18 сравнения формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход ключа 19, открывая его. При этом вычисленная электронная концентрация N_c(г) фиксируется в индикаторе 20.

Описанная выше работа устройства соответствует приему полезного сигнала, U_н(t) по основному каналу на частоте f_c.

Если ложный сигнал (помеха) принимается по зеркальному каналу на частоте f₃
U₃(t) = V₃•Cos(2π•f₃•t+ϕ₃), 0≤t≤T₃,
то усилителями 12 и 23 промежуточной частоты выделяются следующие напряжения:

0≤t≤T₃,
где U_пp4=1/2K₁•V₃•V_г;
f_пp=f_г-f₃ - промежуточная частота;

Напряжение U_np5(t) с выхода усилителя 23 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 24 на 90^o, на выходе которого образуется напряжение
0≤t≤Т₃.

Напряжения U_пp4(t) и U_пр6(t), поступающие на два входа сумматора 25, на его выходе компенсируются. Следовательно, ложный сигнал (помеха), принимаемый по зеркальному каналу на частоте f₃, подавляется.

По аналогичной причине подавляется фазокомпенсационным методом и ложный сигнал (помеха), принимаемый по первому комбинационному каналу на частоте f_K1. Если ложный сигнал (помеха) принимается по второму комбинационному каналу на частоте f_K2
U_K2(t) = V_K2•Cos(2π•f_K2•t+ϕ_K2], 0≤t≤Т_K2,
то усилителями 12 и 23 промежуточной частоты выделяются следующие напряжения:

0≤t≤T_K2,
где U_пр7=1/2K₁•V_K2•V_г;
f_пp=f_K2-2f_г - промежуточная частота;

Напряжение U_пр8(t) с выхода усилителя 23 промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 24 на 90^o, на выходе которого образуется напряжение
0≤t≤T_K2.

Напряжения U_пр7(t) и U_пр9(t) поступают на два входа сумматора 25, на выходе которого образуется суммарное напряжение
0≤t≤T_K2,
где V_Σ1(t)=2V_пр7.

Напряжение U_Σ1(t) с выхода сумматора 25 поступает на первый вход перемножителя 26, на второй вход которого поступает принимаемый сигнал U_K2(t) с выхода приемника 8. На выходе последнего образуется гармоническое напряжение
U₄(t) = V₄(t)•Cos(4π•f_Г•t+ϕ_Г), 0≤t≤Т_K2.

где V₄ = 1/2K₂•V_Σ1(t)•V_K2,
которое не попадает в полосу пропускания узкополосного фильтра 27.

Ключ 29 не открывается, и ложный сигнал (помеха), принимаемый по второму комбинационному каналу на частоте f_K2, подавляется.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство по сравнению с прототипами и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивают повышение помехоустойчивости и точности измерения фазового сдвига между обыкновенной и необыкновенной компонентами отраженного сигнала. Это достигается подавлением сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и комбинационным каналам приема. Причем для подавления ложных сигналов (помех), принимаемых по зеркальному и первому комбинационному каналу, используется фазокомпенсационный метод. А для подавления ложных сигналов, принимаемых по второму комбинационному каналу, используется метод узкополосной фильтрации.

Наличие радиоактивных примесей и их концентрация в заданной зоне атмосферы оцениваются по разности фаз Δϕ между обыкновенной и необыкновенной составляющими отраженного сигнала, которая измеряется с высокой точностью. Это обеспечивается тем, что указанная разность фаз измеряется на стабильной частоте f_г гетеродина 10.

Поэтому процесс измерения инвариантен к нестабильности амплитуды и несущей частоты отраженного сигнала, возникающих при некогерентном рассеянии зондирующего сигнала линейной поляризации ионизированной областью атмосферы.

Формула изобретения

Устройство для определения электронной концентрации в заданной области ионосферы, включающее последовательно соединенные синхронизатор, передатчик и передающую антенну плоскополяризованной волны, последовательно соединенные первую приемную антенну, приемник сигнала с правой круговой поляризацией, первый ключ, второй вход которого через блок временной задержки соединен с вторым выходом синхронизатора, первый перемножитель, первый узкополосный фильтр, амплитудный ограничитель, фазометр, второй вход которого соединен с первым выходом гетеродина, вычислительный блок, блок сравнения, второй ключ, второй вход которого соединен с выходом вычислительного блока, и индикатор, последовательно соединенные вторую приемную антенну, приемник сигнала с левой круговой поляризацией, первый смеситель, второй вход которого соединен с вторым выходом гетеродина, и первый усилитель промежуточной частоты, отличающееся тем, что в него введены два фазовращателя на 90^o, второй смеситель, второй усилитель промежуточной частоты, сумматор, второй перемножитель, второй узкополосный фильтр, амплитудный детектор и третий ключ, причем к первому выходу гетеродина последовательно подключены первый фазовращатель на 90^o, второй смеситель, второй вход которого соединен с выходом приемника сигнала с левой круговой поляризацией, второй усилитель промежуточной частоты, второй фазовращатель на 90^o, сумматор, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя промежуточной частоты, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом приемника сигнала с левой круговой поляризацией, второй узкополосный фильтр, амплитудный детектор и третий ключ, второй вход которого соединен с выходом сумматора, а выход подключен к второму входу первого перемножителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2