Спосіб вимірювання швидкості вітру методом радіолокації метеорних слідів за сигналами телевізійного мовлення

Спосіб вимірювання швидкості вітру методом радіолокації метеорних слідів за сигналами телевізійного мовлення, що включає вимірювання швидкості переміщення відбиваючих областей метеорних слідів, а отже і швидкості руху повітряних мас за допомогою ефекту Допплера, який відрізняється тим, що використовують як зондуючі сигнали існуючі сигнали телевізійного мовлення, випромінювані телевізійними передавачами І - II частотних діапазонів, які розташовані в радіусі до тисячі кілометрів від точки приймання, причому ідентифікують телевізійний передавач, що випромінює відбитий від метеорного сліду сигнал, за номінальним значенням носійної частоти прийнятого сигналу телевізійного мовлення із урахуванням зміщення носійної частоти конкретного телевізійного передавача й виявляють ефект Допплера 3 нижньої термосфери методом радіолокації метеорних слідів (D2) [Измерение ветра на высотах 90100 км наземными методами / Ю.И. Портнягин, К. Шпренгер, И.А. Лисенко, Р. Шминдер. - Ленинград.: Гидрометеоиздат, 1978. - 343 с.; С. 14, 9]. Відповідно до цього методу швидкість переміщення відбиваючих областей метеорних слідів, а отже і швидкість руху повітряних мас може бути виміряна за допомогою когерентних радіолокаційних станцій, у яких використовується ефект Допплера. Вимірювання швидкостей рухових об'єктів такими станціями базується, як відомо, на порівнянні частот випромінюваних і прийнятих сигналів, які відрізняються на величину допплерівського зміщення частоти f д  2Vr /  , де Vr - радіальна складова швидкості руху цілі щодо спостерігача;  - довжина хвилі; знак «плюс» відповідає наближенню цілі, знак «мінус» - віддаленню. Радіометеорні вимірювання можуть давати інформацію про швидкість вітру цілодобово, незалежно від погодних умов, протягом багатьох років. В описаному рішенні для виконання вимірювань необхідно випромінювати спеціалізований зондуючий сигнал, за яким далі вимірюється швидкість переміщення відбивних областей метеорних слідів. Це є причиною високої вартості експлуатації таких станцій, викликаною дорогим регламентним обслуговуванням радіопередавальних пристроїв, витратами на використання радіочастотного ресурсу й вимогою більших витрат на споживану електроенергію. В основу корисної моделі поставлене завдання створення способу вимірювання швидкості вітру на висотах мезопаузи - нижньої термосфери (80-105 км) атмосфери Землі, що має низькі експлуатаційні витрати, як метод спостереження за дрейфом іоносферних неоднорідностей і можливістю проведення безперервних цілодобових вимірювань як метод радіолокації метеорних слідів. Такого технічного результату можна досягти, якщо в способі вимірювання швидкості вітру методом радіолокації метеорних слідів за сигналами телевізійного мовлення, що включає вимірювання швидкості переміщення відбиваючих областей метеорних слідів, а отже і швидкості руху повітряних мас за допомогою ефекту Допплера, відповідно до корисної моделі використовують як зондуючі сигнали існуючі сигнали телевізійного мовлення, випромінювані телевізійними передавачами І-II частотних діапазонів, які розташовані в радіусі до тисячі кілометрів від точки приймання, причому ідентифікують телевізійний передавач, що випромінює відбитий від метеорного сліду сигнал, за номінальним значенням носійної частоти прийнятого сигналу телевізійного мовлення із урахуванням зміщення носійної частоти конкретного телевізійного передавача й виявляють ефект Допплера за зміщенням носійної частоти відбитого від метеорного сліду сигналу телевізійного мовлення від її номінального значення, середнє квадратичне відхилення якого для телевізійних передавачів з точним зміщенням носійної частоти не більше одиниць герц на часових інтервалах в 0,1 с і більше, причому допплерівське зміщення частоти визна 58636 4 чається як f д  v  r1  r2  /  , де v - вектор швидкості дрейфу метеорного сліду, r1, r2 - орти в напрямку від метеорного сліду до антен телевізійного передавача і приймального пристрою,  довжина хвилі, до того ж, відбиті від метеорного сліду сигнали телевізійного мовлення приймаються антеною з вертикально спрямованою діаграмою спрямованості, що дає змогу виконувати просторову селекцію відбитих від метеорних слідів сигналів телевізійного мовлення, яким властиве допплерівське зміщення частоти, від сигналів, у яких відсутнє зміщення частоти через геострофічність вектора дрейфу метеорного сліду і залежність допплерівського зміщення частоти від розміщення метеорного сліду у просторі відносно приймальної і передавальної антен. Найбільш відомими пристроями для вимірювання частот радіосигналів, які можуть бути використані для виявлення допплерівських зміщень носійної частоти сигналів телевізійного мовлення, відбитих від метеорних слідів, є частотомір електроннолічильний ЧЗ-54 [Частотомер электронносчетный ЧЗ-54 техническое описание и инструкция для эксплуатации Е Я2.721.039 ТО 1982] и устройство для измерения отклонения частоты от номинального значения для передатчиков синхронного вещания [ГОСТ 13924-80 Передатчики радиовещательные стационарные. Основные параметры, технические требования и методы измерения]. Існуючий електроннолічильний частотомір ЧЗ54 призначений для вимірювання частоти синусоїдних 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, роз   рахованого за формулою:  f   0  fвим  t ліч 1 , де  0 - відносна похибка за частотою внутрішнього кварцового генератора або зовнішнього джерела, яке використовується замість внутрішнього генератора, fвим - вимірювана частота, Гц, t л час лічби, с [Частотомер электронносчѐтный ЧЗ-54 техническое описание и инструкция по эксплуатации Е Я2.721.039 ТО 1982 с.4, с.6]. 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 вузькосмугово 5 го 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. 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 використовують метеорний радіоканал, приймальню антену, смуговий фільтр, малошумний підсилювач, підсилювач проміжної частоти, амплітудний обмежувач, випрямляч, фільтр нижніх частот, аналогоцифровий перетворювач, два дециматора 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 малошумного підсилювача, вихід малошумного 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, синхровхід 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 блоку оцінки частоти, другий вихід першого дециматора частоти з'єднаний з входом першого блоку швидкого перетворення Фур'є, вихід другого дециматора частоти з'єднаний із входом другого блоку швидкого перетворення Фур'є, другий вихід другого блоку швидкого перетворення Фур'є з'єднаний із входом порогового пристрою, перший вихід порогового пристрою з'єднаний із другим входом блоку оцінки частоти, другий вихід порогового пристрою з'єднаний із четвертим входом блоку відображення й збереження результатів вимірювання, вихід блоку оцінки частоти, вихід першого блоку швидкого перетворення Фур'є, перший вихід другого блоку швидкого перетворення Фур'є з'єднані з першим, другим, третім входами блоку відображення й збереження результатів вимірювання відповідно. Технічний результат, що досягається з реалізацією заявлюваних способу і пристрою, полягає в істотному зниженні витрат на вимірювання швидкості вітру на висотах мезопаузи - нижньої термо 58636 6 сфери (80-105 км) методом радіолокації метеорних слідів за рахунок використання існуючих сигналів телевізійного мовлення як зондуючих. На Фіг.1 наведене графічне пояснення до формування допплерівського зміщення носійної 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.2 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 порівняне з висотою метеорного сліду й більше. Пристрій працює наступним чином. Сигнали телевізійного мовлення (СТМ) випромінюються віддаленим телевізійним передавачем і приймаються приймальною антеною по метеорному радіоканалу за рахунок відбиття від метеорного сліду. Внаслідок ефекту Допплера носійна частота СТМ, відбитого від метеорного сліду, зміщується на величину, визначувану формулою [Черняк B.C. Многопозиционная радиолокация. - М. Радио и связь, 199. - 416 с. С. 20]: f д  v  r1  r2  /  , (1) де f д - допплерівське 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) допплерівське 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.1). Отже, при постійних висоті, швидкості й напрямку дрейфу метеорного сліду величина допплерівського зміщення частоти відбитого від метеорного сліду сигналу залежатиме від кута між напрямками на метеорний слід і передавальний пристрій у точці приймання (див. Фіг.2) Графіки на Фіг.2 показують, що геострофічний дрейф метеорного сліду спричиняє допплерівське зміщення носійної 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 допплерівсь 7 ке 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 спостереженні 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 носійної частоти СТМ при відбитті від метеорного сліду становить одиниці/десятки Гц. Для виявлення таких зміщень ставляться додаткові вимоги до стабільності носійної частоти СТМ за час існування метеорного сліду й більше (більше 0,1 с). Для телевізійних передавачів з точним СНЧ середнє квадратичне відхилення значень носійної частоти становить не більше одиниць Гц на часових інтервалах 0,1 с і більше. Такої нестабільності досить для виявлення допплерівського зміщення носійної частоти СТМ при його відбитті від дрейфуючого метеорного сліду [Кукуш В. Д., Олейников А. Н. Оценка возможности определения скорости дрейфа метеорного следу 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, проходить смугову фільтрацію і попереднє підсилення в малошумному підсилювачі. З виходу малошумного підсилювача сигнал надходить на вхід змішувача. На другий вхід змішувача подається гетеродинна напруга, частота якої синхронна зі стандартом частоти. Сигнал з виходу змішувача проходить фільтрацію у фільтрі вузькосмуговому. Із сигналу з виходу фільтра вузькосмугового формуються канали для частотно-часових вимірювань: підсилювач проміжної частоти - обмежувач й амплітудночасових вимірювань: підсилювач проміжної частоти - випрямляч - фільтр нижніх частот. Канал для частотно-часових вимірювань подається на перший вхід АЦП. Канал для амплітудно-часових вимірювань подається на другий вхід АЦП. Дискретизація вимірювальних каналів синхронна. Тактування АЦП синхронне зі стандартом частоти. Це досягається за рахунок подачі на вхід зовнішнього тактування АЦП сигналу з виходу стандарту частоти. Після дискретизації відліки сигналів у вимірювальних каналах надходять на входи дециматорів 58636 8 частоти. Дециматори частоти виконують компресію (стиск) сигналів у вимірювальних каналах за рахунок зменшення частоти дискретизації без спотворення сигналу в корисній смузі [Айфичер, Эммануил С, Барри У. Джервис. Цифровая 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 відліки сигналів надходять на входи блоків швидкого перетворення Фур'є (ШПФ). Відліки спектра сигналу каналу амплітудно-часових вимірювань з виходу другого блоку ШПФ надходять на вхід порогового пристрою. Пороговий пристрій 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  - середньоквадратичне 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, котрий формує на виході оцінку частоти сигналу в каналі для частотно-часових вимірювань і блок відображення та збереження результатів вимірювання. 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, 1968 р. 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, 584 с.]. 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 - СКВ оцінки частоти,  - час вимірювання, q - параметр виявлення. Так, при q  5 й   0,1 c [Дистанционные методы и средства исследования процессов в атмосфере Земли / под общ. ред. Б.Л. Кащеева, Е.Г. Прошкина, М.Ф. Лагутина. - Харків: 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. 9 Результати обчислень надходять на вхід алгоритму відображення й збереження результатів вимірювань 20. У результаті роботи пристрою оцінюється значення частоти СТМ, відбитого від метеорного сліду 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 допплерівських зміщень частоти СТМ, відбитих від метеорних слідів, особливості вітрового режиму на висотах мезопаузи - нижньої термосфери (80-105 км), зокрема, амплітуди й фази квазі- двохдобових, добових і півдобових коливань швидкості зонального вітру для всієї досліджуваної області висот. 1) приналежність СТМ конкретному телевізійному радіопередавачу. Реалізується оцінюванням величини зміщення носійної частоти сигналу (ЗНЧ). Можливі значення носійної частоти СТМ з урахуванням ЗНЧ обчислюються за формулою [ГОСТ 7845-79]: 2  n  1  f0n  10 6   m    fcmp  1Гц , (3) 625   58636 10 де fcmp  15625 ; f0n - номінальне значення носійної частоти зображення в МГц (відповідає частотному діапазону й номеру телевізійного радіоканалу); m=0, 1, 2; n=0, 1, 2,...155. Відхилення носійної частоти СТМ, що відповідають ЗНЧ, набувають значення від 25 Гц до 39025 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- двохдобових, 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 допплерівського зміщення носійної частоти СТМ, відбитих від метеорних слідів. 11 Комп’ютерна верстка А. Рябко 58636 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