Пристрій для вимірювання швидкості вітру методом радіолокації метеорних слідів за сигналами телевізійного мовлення

Пристрій для вимірювання швидкості вітру методом радіолокації метеорних слідів за сигналами телевізійного мовлення, що включає передавач, змішувач, фільтр вузькосмуговий, синтезатор частот, стандарт частоти, причому другий вхід змішувача з'єднаний з виходом синтезатора частот, вихід змішувача з'єднаний з фільтром вузькосмуговим, перший вихід стандарту частоти з'єднаний із синхровходом синтезатора частоти, який відрізняється тим, що використовують метеорний радіоканал, приймальну антену, смуговий фільтр, малошумовий підсилювач, підсилювач проміжної частоти, амплітудний обмежувач, випрямляч, фільтр нижніх частот, аналого-цифровий перетворювач, два дециматори частоти, два блоки швидкого перетворення Фур'є, блок оцінки частоти, пороговий пристрій, блок відображення й збереження результатів вимірювання, причому телевізійний передавач з'єднаний з приймальною антеною через метеорний радіоканал, приймальна антена з'єднана із входом смугового фільтра, вихід смугового фільтра з'єднаний із входом малошумового підсилювача, вихід малошумового під U 2 (19) 1 3 58527 дних і частоти проходження імпульсних сигналів і при роботі зі змінним блоком-підсилювачем широкосмуговим ЯЗЧ-31/1 прилад вимірює частоту синусоїдних сигналів у діапазоні від 0,1 до 50 МГц при рівні вхідного сигналу від 1 мВ до 10 В. Відносна похибка вимірювання частоти синусоїдних і імпульсних сигналів &F не більше значення, розра   хованого за формулою:  f   0  fізм  t сч 1 , де 0 - відносна похибка за частотою внутрішнього кварцового генератора або зовнішнього джерела, яке використовується замість внутрішнього генератора, fізм - вимірювана частота, Гц, tсч - час лічення, с [Частотомер электронносчетный 43-54 техническое описание и инструкция по эксплуатации Е Я2.721.039ТО1982с.4,с.6]. До недоліків даного пристрою належить віднести неможливість вимірювань частоти сигналів при рівні в одиниці мкВ, а також те, що пристрій не дозволяє одержувати оцінки частоти з абсолютною похибкою в одиниці Гц за час вимірювання в 0,1с (інтервал часу в 0,1с відповідає середньостатистичному часу існування метеорного сліду). Отже, частотоміром електроннолічильним 43-54 або аналогічним пристроєм неможливе виявлення допплерівських зміщень несучої частоти сигналів телевізійного мовлення, відбитих від метеорних слідів. Найбільш близьким за технічною суттю є пристрій для вимірювання відхилення частоти від номінального значення для передавачів синхронного мовлення [ГОСТ 13924-80 Передатчики радиовещательные стационарные. Основные параметры, технические требования и методы измерения; с. 28], що містить передавач, антену або її еквівалент, елемент зв'язку, змішувач, фільтр вузькосмуговий, синтезатор частот, компаратор частотний, стандарт частоти, частотомір, причому вихід передавача з'єднаний із входами антени або її еквівалента й елемента зв'язку, вихід елемента зв'язку з'єднаний з першим входом змішувача, другий вхід змішувача з'єднаний з виходом синтезатора частот, вихід змішувача з'єднаний з фільтром вузькосмуговим, вихід фільтра вузькосмугового з'єднаний з першим входом компаратора частотного, другий вхід компаратора частотного з'єднаний із другим виходом стандарту частоти, перший вихід стандарту частоти з'єднаний із синхровходом синтезатора частоти, третій вихід стандарту частоти з'єднаний із синхровходом частотоміра, другий вхід частотоміра з'єднаний з компаратором частотним. Описаний пристрій не дозволяє приймати сигнали з амплітудами порядка одиниць мкВ у зв’язку з відсутністю в ньому малошумного підсилювача. Також немає можливості статистичної обробки вимірюваних відхилень частоти сигналів телевізійного мовлення від номінального значення. Така статистична обробка необхідна для виявлення характерних особливостей вітрового режиму на висотах метеорної зони (80-105 км) атмосфери Землі за сукупністю одиничних оцінок допплерівських зміщень частоти відбитих від метеорних слідів сигналів телевізійного мовлення. 4 В основу корисної моделі поставлене завдання розробки пристрою для вимірювання швидкості вітру методом радіолокації метеорних слідів за сигналами телевізійного мовлення. Такий пристрій повинен забезпечити вимірювання несучої частоти сигналу телевізійного мовлення І-II частотного діапазону при рівні сигналу в одиниці мкВ і більше із середньоквадратичним відхиленням одиничних оцінок в одиниці Гц за час вимірювання в 0,1 с. Так само у пристрої має бути передбачена можливість наступної статистичної обробки оцінок частоти,отриманих при вимірюваннях. Такого технічного результату можна досягти, якщо в пристрої вимірювання швидкості вітру методом радіолокації метеорних слідів за сигналами телевізійного мовлення, що включає передавач, змішувач, фільтр вузькосмуговий, синтезатор частот, стандарт частоти, причому другий вхід змішувача з'єднаний з виходом синтезатора частот, вихід змішувача з'єднаний з фільтром вузькосмуговим, перший вихід стандарту частоти з'єднаний із синхровходом синтезатора частоти відповідно до корисної моделі використають метеорний радіоканал, приймальну антену, смуговий фільтр, малошумовий підсилювач, підсилювач проміжної частоти, амплітудний обмежувач, випрямляч, фільтр нижніх частот, аналого-цифровий перетворювач, два дециматора частоти, два блоки швидкого перетворення Фур'є, блок оцінки частоти, пороговий пристрій, блок відображення й збереження результатів вимірювання, причому телевізійний передач з'єднаний з приймальною антеною через метеорний радіоканал, приймальна антена з'єднана із входом смугового фільтра, вихід смугового фільтра з'єднаний із входом малошумового підсилювача, вихід малошумового підсилювача з'єднаний із входом змішувача, вихід фільтра вузькосмугового з'єднаний із входом підсилювача проміжної частоти, виходи якого з'єднані із входами амплітудного обмежувача і випрямляча, вихід випрямляча з'єднаний з фільтром нижніх частот, виходи амплітудного обмежувача й фільтра нижніх частот з'єднані з першим і другим входами аналого-цифрового перетворювача відповідно, синхровход аналого-цифрового перетворювача з'єднаний із другим виходом стандарту частоти, перший і другий виходи аналогоцифрового перетворювача з'єднані із входами першого й другого дециматорів частоти відповідно, перший вихід першого дециматора частоти з'єднаний з першим входом блока оцінки частоти, другий вихід першого дециматора частоти з'єднаний з входом першого блока швидкого перетворення Фур'є, вихід другого дециматора частоти з'єднаний із входом другого блока швидкого перетворення Фур'є, другий вихід другого блока швидкого перетворення Фур'є з'єднаний із входом порогового пристрою, перший вихід порогового пристрою з'єднаний із другим входом блока оцінки частоти, другий вихід порогового пристрою з'єднаний із четвертим входом блока відображення й збереження результатів вимірювання, вихід блока оцінки частоти, вихід першого блока швидкого перетворення Фур'є, перший вихід другого блока швидкого перетворення Фур'є з'єднані з першим, 5 другим, третім входами блока відображення й збереження результатів вимірювання відповідно. Технічний результат, що досягається з реалізацією заявленого пристрою, полягає в істотному зниженні витрат на вимірювання швидкості вітру на висотах мезопаузи - нижньої термосфери (80105 км) методом радіолокації метеорних слідів за рахунок використання існуючих сигналів телевізійного мовлення як зондуючих. На фіг. 1 наведена структурна схема пристрою для вимірювання швидкості вітру методом радіолокації метеорних слідів по сигналах телевізійного мовлення. На фіг.2 наведене графічне пояснення до формування допплерівського зміщення несучої частоти сигналу телевізійного мовлення при відбитті від метеорного сліду. Побудову виконано в площині поширення сигналу телевізійного мовлення від антени телевізійного передавача до антени приймального пристрою для випадку геострофічного дрейфу метеорного сліду в напрямку від приймальної антени до телевізійного передавача. На фіг. 3 наведена залежність величини допплерівського зміщення частоти відбитого від метеорного сліду сигналу телевізійного мовлення другого радіоканалу від кута між напрямками на метеорний слід і телевізійний передавач у точці приймання. Залежність наведено для висоти метеорного сліду в 90 км і швидкості дрейфу в 20 м/с. На графіку позначені області варіації значень допплерівського зміщення частоти в діапазоні висот метеорного сліду 80-105 км і діапазоні швидкостей дрейфу 20-80 м/с. Побудови справедливі для випадків, коли відстань між антенами приймального пристрою й телевізійного передавача порівняна з висотою метеорного сліду й більше. Пристрій включає телевізійний передавач 1, стандарт частоти 2, синтезатор частот 3, метеорний радіоканал 4, приймальну антену 5, смуговий фільтр 6, дециматори частоти 7 і 8, малошумовий підсилювач 9, змішувач 10, блоки швидкого перетворення Фур'є 11 й 12, вузькосмуговий фільтр 13, блок оцінки частоти 14, пороговий пристрій 15, підсилювач проміжної частоти 16, обмежувач 17, випрямляч 18, фільтр нижніх частот 19, блок відображення й збереження результатів вимірювання 20, аналого-цифровий перетворювач (АЦП) 21, перший і другий виходи стандарту частоти 2 з'єднані із синхровходами синтезатора частот З й АЦП21 відповідно, вихід синтезатора частот 3 з'єднаний із другим входом змішувача 10, телевізійний передавач 1 з'єднаний із приймальною антеною 5 через метеорний радіоканал 4, приймальна антена 5 з'єднана із входом смугового фільтра 6, вихід якого з'єднаний із входом малошумового підсилювача 9, вихід якого з'єднаний з першим входом змішувача 10, вихід котрого з'єднаний із входом вузькосмугового фільтра 13, вихід якого з'єднаний із входом підсилювача проміжної частоти 16, перший, другий виходи якого з'єднані із входами амплітудного обмежувача 17 і випрямляча 18 відповідно, вихід випрямляча 18 з'єднаний з фільтром нижніх частот 19, виходи амплітудного обмежувача 17 і фільтра нижніх частот 19 з'єднані з першим і другим входами АЦП 21 відповідно, 58527 6 перший і другий виходи АЦП 21 з'єднані із входами першого й другого дециматорів частоти 7, 8 відповідно, перший вихід першого дециматора частоти 7 з'єднаний з першим входом блока оцінки частоти 14, другий вихід першого дециматора частоти 7 з'єднаний із входом першого блока швидкого перетворення Фур'є 11, вихід другого дециматора частоти 8 з'єднаний із входом другого блока швидкого перетворення Фур'є 12, другий вихід другого блока швидкого перетворення Фур'є 12 з'єднаний із входом порогового пристрою 15, перший вихід порогового пристрою 15 з'єднаний з другим входом блока оцінки частоти 14, другий вихід порогового пристрою 15 з'єднаний із четвертим входом блока відображення й збереження результатів вимірювання 20, вихід блока оцінки частоти 14, вихід першого блока швидкого перетворення Фур'є 11, перший вихід другого блока швидкого перетворення Фур'є 12 з'єднані з першим, другим і третім входами блока відображення й збереження результатів вимірювання 20 відповідно. Пристрій працює так. Сигнали телевізійного мовлення (СТМ) випромінюються віддаленим телевізійним передавачем 1 і приймаються приймальною антеною 5 по метеорному радіоканалу 4 за рахунок відбиття від метеорного сліду (див. Фіг.1). Внаслідок ефекту Доплера несуча частота СТМ, відбитого від метеорного сліду, зміщується на величину, яка визначається формулою [Черняк B.C. Многопозиционная радиолокация. - М. Радио и связь, 199. - 416 с. С. 20]: f д  v  r1  r2  /  (1) де fд - доплерівське зміщення частоти; v - вектор швидкості дрейфу метеорного сліду; r1, r2 орти в напрямку від метеорного сліду до телевізійного передавача й приймального пристрою;  довжина хвилі; Відповідно до формули (1) доплерівське зміщення частоти в точці приймання визначається двома проекціями вектора швидкості дрейфу метеорного сліду. Перша проекція виконується на ділянку траси «телевізійний передавач - метеорний слід» (ВА), друга - «метеорний слід - приймальна антена» (АС) (див. фіг.2). Отже, при постійних висоті, швидкості й напрямку дрейфу метеорного сліду величина доплерівського зміщення частоти відбитого від метеорного сліду сигналу залежатиме від кута між напрямками на метеорний слід і передавальний пристрій у точці приймання (див. фіг.3) Графіки на фіг. 3 показують, що геострофічний дрейф метеорного сліду викликає доплерівське зміщення несучої частоти відбитих СТМ у випадку спостереження метеорних слідів з вертикального й протилежного телевізійному передавачу напрямків. А в разі спостереження метеорного сліду з напрямку на телевізійний передавач доплерівське зміщення частоти може змінювати знак і набувати нульового значення. Отже, неможливе однозначне визначення середньої швидкості вітру при спостереженні метеорних слідів з напрямку на передавач. Визначення середньої швидкості вітру можливе при спостере 7 женні метеорних слідів з вертикального і протилежного телевізійному передавачу напрямків. Так само при спостереженні метеорних слідів за СТМ із вертикального напрямку рівень відбитого сигналу більший й мінімальний рівень «земних» завад порівняно з напрямками на- і від- передавача. [Лыков Ю. В., Олейников А. Н. Выбор оптимальной ориентации приемной антенны в рознесенной системе метеорной радиолокации при использовании ТВ сигналов // Всеукр. межвед. научн.-техн. сб. Радиотехника. -2008- №152,- С. 72-77, Олейников А. Н., Лыков Ю. В., Кукуш В.Д Повышение эффективности рознесенной системы радиолокации метеорных следов // Всеукр. межвед. научн.-техн. сб. Радиотехника.- 2009. - № 157.- С. 5-12]. Порядок допплерівського зміщення несучої частоти СТМ при відбитті від метеорного сліду становить одиниці/десятки Гц. Для виявлення таких зміщень ставляться додаткові вимоги до стабільності несучої частоти СТМ за час існування метеорного сліду й більше (більше 0,1с). Для телевізійних передавачів з точним СНЧ середнє квадратичне відхилення значень несучої частоти становить не більше одиниць Гц на часових інтервалах 0,1 с і більше. Такої нестабільності досить для виявлення доплерівського зміщення несучої частоти СТМ при його відбитті від дрейфуючого метеорного сліду [Кукуш В. Д., Олейников А. Н. Оценка возможности определения скорости дрейфа метеорного следа по сигналам телевизионного вещания // Труды XI международной научно-практической конференции «Современные информационные и электронные технологии» 24-28 травня 2010 г. Украина, г. Одесса, том I. С. 218]. СТМ, відбитий від метеорного сліду й прийнятий метеорним радіоканалом вертикально спрямованою приймальною антеною 5, проходить смугову фільтрацію 6 і попереднє підсилення в малошумовому підсилювачі 9. З виходу малошумового підсилювача сигнал надходить на вхід змішувача 10. На другий вхід змішувача подається гетеродинна напруга, частота якої синхронна зі стандартом частоти 2. Сигнал з виходу змішувача 10 проходить фільтрацію у фільтрі вузькосмуговому 13. Із сигналу з виходу фільтра вузькосмугового формуються канали для частотно-часових вимірювань: підсилювач проміжної частоти 16 - обмежувач 17 й амплітудно-часових вимірювань: підсилювач проміжної частоти 16 - випрямляч 18 фільтр нижніх частот 19. Канал для частотночасових вимірювань подається на перший вхід АЦП21. Канал для амплітудно-часових вимірювань подається на другий вхід АЦП21. Дискретизація вимірювальних каналів синхронна. Тактування АЦП 21 синхронне зі стандартом частоти 2. Це досягається за рахунок подачі на вхід зовнішнього тактування АЦП 21 сигналу з виходу стандарту частоти 2. Після дискретизації відліки сигналів у вимірювальних каналах надходять на входи дециматорів частоти 7 й 8. Дециматори частоти 7 й 8 виконують компресію (стиск) сигналів у вимірювальних каналах за рахунок зменшення частоти дискретизації без спотворення сигналу в корисній смузі [Айфичер, Эммануил С, Барри У. Джервис. Циф 58527 8 ровая обработка сигналов: практический подход.М: Издательский дом «Вильяме», 2004.- 992 с. С.632]. Використання дециматорів дозволяє значно (на порядок і більше) скоротити час наступних обчислень і знизити обсяги пам'яті для збереження експериментальних даних. З виходів дециматорів 7 і 8 відліки сигналів надходять на входи блоків швидкого перетворення Фур'є (ШПФ) 11 та 12 відповідно. Відліки спектра сигналу каналу амплітудно-часових вимірювань з виходу другого блока ШПФ 12 надходять на вхід порогового пристрою 15. Пороговий пристрій 15 у випадку виявлення різкого збільшення рівнів постійної складової, перших гармонік кадрових і рядкових синхроімпульсів СТМ виробляє на виході сигнал «ознака цілі». Поріг спрацьовування задається вручну або визначається величиною « 3   », де  - cередньо-квадратичне відхилення (СКВ) рівнів сигналу на інтервалі, набагато більшому за час існування метеорного сліду. Поява сигналу «ознака цілі» на виході порогового пристрою відповідає моментові приймання відбитого від метеорного сліду СТМ. Сигнал «ознака цілі» запускає блок оцінки частоти 14, котрий формує на виході оцінку частоти сигналу в каналі для частотночасових вимірювань і блок відображення та збереження результатів вимірювання 20. Оцінка частоти виконується за багатоканальною кореляційно-фільтровою схемою обробки сигналу великої тривалості [Теоретические основы радиолокации / Я. Д. Ширман, В. Н. Голиков, И. Н. Бусыгин и др.; под общ. ред. Я. Д. Ширмана. - М: Войска ПВО страны, 1968р. 444 с] або з використанням стандартних алгоритмів спектрального оцінювання із надрозрізненням [Марпл С. Л. - мл. Цифровой спектральный анализ и его приложения: пер. с англ.- М.: Мир, 1990, 584с]. Багатоканальна кореляційно-фільтрова схема обробки сигналу великої тривалості дозволяє одержувати оптимальні оцінки частоти радіосигналу за критерієм максимуму правдоподібності. СКВ оцінок частоти оптимальним вимірювачем обчислюється як:  f  2      q1, (2) де f - СКО оцінки частоти,  - час вимірювання, q - параметр виявлення. Так, при q = 5 й  = 0,1 з [Дистанционные методы и средства исследования процессов в атмосфере Земли / под общ. ред. Б.Л.Кащеева, Е.Г.Прошкина, М.Ф.Лагутина.- Харьків: Харьковский национальный университет радиоэлектроники; Бизнес Информ, 2002.- 426 с. С. 143] СКВ оцінок частоти оптимальним вимірювачем становить 0,32 Гц. СКВ оцінок частоти більше значень, отриманих за формулою (2) для будь-якої з практичних реалізацій оптимального вимірювача. Це спричинюється похибками квантування сигналу в каналі для частотно-часових вимірювань, фазовими шумами активних елементів вимірювального каналу. Результати обчислень надходять на вхід алгоритму відображення й збереження результатів вимірювань 20. У результаті роботи пристрою оцінюється значення частоти СТМ, відбитого від метеорного слі 9 ду із середньоквадратичним відхиленням оцінок не більше одиниць Гц. Отже за отриманим значенням частоти СТМ, відбитих від метеорних слідів, можливо визначати: приналежність СТМ конкретному телевізійному радіопередавачу, миттєві оцінки доплерівських зміщень частоти СТМ, відбитих від метеорних слідів, особливості вітрового режиму на висотах мезопаузи - нижньої термосфери (80-105 км), зокрема, амплітуди й фази квазі- двох добових, добових і півдобових коливань швидкості зонального вітру для всієї досліджуваної області висот. 1) приналежність СТМ конкретному телевізійному радіопередавачу. Реалізується оцінюванням величини зміщення несучої частоти сигналу (ЗНЧ). Можливі значення несучої частоти СТМ з урахуванням ЗНЧ обчислюються за формулою [ГОСТ 7845-79]: 2  n  1  (3) f0n  10 6   m  Гц   fстр  1 , 625   де fстр = 15625; f0n - номінальне значення несучої частоти зображення в МГц (відповідає частот 58527 10 ному діапазону й номеру телевізійного радіоканалу); m = 0, 1, 2; n = 0, 1,2, ... 155… Відхилення несучої частоти СТМ, що відповідають ЗНЧ, набувають значення від 25 Гц до 39 025 Гц. Величини ЗНЧ більше величин допплерівського зміщення частоти, викликаних дрейфом метеорного сліду, і набувають значення, строго визначені формулою (3); 2) миттєві оцінки допплерівських зміщень частоти СТМ, відбитих від метеорних слідів. Реалізується обчисленням різниці вимірюваної частоти відбитого сигналу та його номінального значення; 3) особливості вітрового режиму на висотах мезопаузи - нижньої термосфери (80-105 км), зокрема, амплітуди й фази квазі- двох добових, добових і півдобових та восьмигодинних коливань швидкості зонального вітру по всій досліджуваній області. Реалізується застосуванням різних методів цифрового спектрального аналізу [Марпл. - мл. С. Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990.- 584 с] до рядів миттєвих оцінок доплерівського зміщення несучої частоти СТМ, відбитих від метеорних слідів. 11 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 58527 Підписне 12 Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601