Спосіб пасивної реєстрації метеорних явищ у радіодіапазоні

Реферат: Спосіб пасивної реєстрації метеорних явищ у радіодіапазоні, при якому за допомогою антени приймають радіосигнали потужних FM віщальних радіостанцій, відбитих від метеорних іонізованих слідів, передають сигнал на приймач із діапазоном прийнятих частот 45-1500 МГц і обробляють сигнал з використанням комп'ютера. Як приймач використовують приймач, що містить модуль тюнера та модуль керування, що забезпечує аналого-цифрове перетворення і передачу на комп'ютер потоку 8-бітних квадратурних сигналів при частоті дискретизації 2,5 MSPS (млн. вибірок за секунду). UA 117155 U (12) UA 117155 U UA 117155 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до систем, що використовують відбиття або вторинне випромінювання радіохвиль, а точніше до астрономічних досліджень розподілу метеорної речовини в Сонячній системі радіотехнічними методами. У процесі руху планети по орбіті навколо Сонця відбуваються численні її зіткнення з метеорною речовиною, розподіленою в Сонячній системі. По оцінках дослідників в атмосферу планети потрапляє до кілька десятків тонн речовини за добу. Більшість дрібних метеорних частинок згоряє в атмосфері і не досягає поверхні. У процесі згоряння метеорів в атмосфері на висотах 100-50 км виникають іонізовані області газу, здатні відбивати радіохвилі. Необхідна для відбиття концентрація іонізованих розігрівом метеорних частинок підтримується десяті частки секунди. Саме в ці короткі моменти часу з'являється можливість приймати радіосигнали віддалених загоризонтних радіомовних станцій УКХ діапазону і за кількістю прийнятих сигналів оцінювати метеорну активність. Найпоширенішим інформативним способом кількісної оцінки метеорних явищ радіотехнічними засобами є метод радіолокаційного зондування за допомогою активних радарів зворотного розсіювання - досить потужних спеціалізованих приймально-передавальних пристроїв, працюючих у діапазоні довжин хвиль 0,6-150 м [1]. Спосіб дозволяє реалізувати приймання та наступну обробку відбитих іонізованими метеорними слідами радіосигналів, випромінюваних досить потужними спеціалізованими радіопередавальними пристроями (радарами) в основному в діапазоні УКХ. Прикладами таких радарів є радари в Аделаїді (частота 54 МГц, потужність до 32 кВт) і Харкові (31 МГц, до 1 МВт), що працювали у 80-і роки [2, 3]. За допомогою таких радарів отримана практично вся відома на сьогоднішній день інформація про фізичні процеси відбиття та розсіювання радіохвиль від іонізованих слідів, утворених метеороїдом, про добові варіації чисельності метеорів, періоди і характер активності m головних метеорних потоків, а також швидкість та елементи орбіт слабких метеорів (до 12 ) [1, 3]. Однак цей спосіб вимагає великих енергетичних, фінансових, матеріальних і людських ресурсів. Вартість виготовлення та експлуатації потужних радарних установок може досягати багатьох тисяч і навіть мільйонів доларів. До того ж безперервна робота радарних установок призводить до сильного забруднення радіоефіру перешкодами і є небезпечною в екологічному відношенні. Завдання безперервного контролю метеорної обстановки може вирішуватися і так званими пасивними радіометодами, коли для "радіопідсвічування" іонізованих метеорних слідів, що відбивають радіохвилі, можуть бути використані радіовипромінювання потужних радіомовних радіостанцій, що працюють в УКХ діапазоні хвиль, кількість яких у зараз безперервне зростає. Необхідна для відбиття концентрація іонізованих розігрівом метеорних частинок підтримується десяті частки секунди. Саме в ці короткі моменти часу з'являється можливість приймати радіосигнали віддалених загоризонтних радіомовних станцій УКХ діапазону і за кількістю прийнятих сигналів оцінювати метеорну активність. Спосіб пасивної реєстрації метеорних явищ у радіодіапазоні полягає в тому, що за допомогою антени приймають радіосигнали потужних FM віщальних радіостанцій, відбитих від метеорних іонізованих слідів, передають сигнал на приймач із діапазоном прийнятих частот 451500 МГц і обробляють сигнал з використанням комп'ютера. Однією з серйозних проблем цього способу оцінки метеорної активності є проблема завадостійкості. Спостерігаючи візуально на екрані монітора процес роботи комплексу, при деякому досвіді спостережень відсіяти різного роду сильно спотворюючі результати спостережень завади не становить великих труднощів, але при масових цілодобових спостереженнях необхідний режим автоматичної надійної реєстрації метеорних явищ. Відомі способи автоматичної реєстрації та обробки метеорних явищ з використанням, наприклад, програм Radio Recorder, R-Meteor, Spectrum Lab і ін. [4, 5, 6] не забезпечує достатньої достовірності та надійності реєстрації. Порівняння візуальних і автоматичних результатів спостережень у тому самому пункті і тією ж самою апаратурою виявлялося незадовільним. В основу корисної моделі поставлена задача розробити спосіб пасивної реєстрації метеорних явищ в радіодіапазоні, який забезпечує високу достовірність і надійність реєстрації. В способі пасивної реєстрації метеорних явищ у радіодіапазоні, при якому за допомогою антени приймають радіосигнали потужних FM віщальних радіостанцій, відбитих від метеорних іонізованих слідів, передають сигнал на приймач з діапазоном прийнятих частот 45-1500 МГц і обробляють сигнал з використанням комп'ютера, поставлена задача вирішується тим, що як приймач використовують приймач, що містить модуль тюнера і модуль керування, що забезпечує аналого-цифрове перетворення та передачу на комп'ютер потоку 8-бітних квадратурних сигналів при частоті дискретизації 2,5 MSPS (млн. вибірок за секунду); 1 UA 117155 U 5 перед обробкою аудіопотоку номінальну частоту вибірки приводять до діючої шляхом уведення поправочного коефіцієнта, що враховує помилку ходу внутрішнього генератора приймача; здійснюють ковзне згладжування аудіопотоку, яке дозволяє відсікти високочастотну (>1000 Гц) шумову складову аудіосигналу за наступною формулою: 1 m  t  Fd , 2 im  10 15 j i  j  i m 2m  1 , де: Aj - вихідні значення амплітуди аудіопотоку;   i - згладжені значення амплітуди; t  1мс - інтервал часу для згладжування; m - половинна кількість амплітуд, за якими проводиться згладжування; Fd - частота дискретизації, для автоматичного виділення фрагментів аудіопотоку, що містять сигнал радіостанції, будують частотно-часове поле послідовність спектрів аудіосигналу, обчислених на коротких інтервалах часу, за допомогою швидкого перетворення Фур'є (ШПФ) по L відліках амплітуди з кроком k відліків обчислюють частотно-часове поле Ukl з порядковим номером частотного фільтра ШПФ I, відповідним до частоти f   Fd ; і номером часового інтервалу k, відповідним до моменту часу t k  k  k , при L Fd цьому спектри аудіосигналу розраховують на інтервалах часу L  65536  0,262 c з кроком Fd 250000 20 k L   0,131c Fd 2 Fd причому на першому етапі обробки частотно-часового поля здійснюють усунення зосереджених по частоті спектральних піків за допомогою процедури нормування за наступною формулою: SNR ki  25 30 35 40 45 Uki  Ui , i де SNR ki - частотно-часове поле, приведене до відношення сигнал/шум; U i і  i - середнє значення та СКВ (середньоквадратичні відхилення), варіацій спектральної амплітуди і-зо фільтра ШПФ, після виконання всіх етапів проводять пошук фрагментів аудіосигналу в діапазоні +/- 20 кГц від несучої частоти для знаходження середніх значень усіх спектрів за моментом часу, серед знайдених середніх значень вибирають значення, що перевищують 5 СКВ (середньоквадратичних відхилень), фрагменти аудіосигналу радіостанції, тривалістю менше 10 секунд, вважають метеорами, з більшою тривалістю - явищами температурної інверсії, як основні параметри зберігають початковий момент часу метеорної луни та всі значення вихідного сигналу, в яких знайдена луна. Далі описано приклад здійснення способу згідно з корисною моделлю. Блок-схема використовуваної установки наведена на фіг. 1. Електрично тюнер підключений до одного з USB портів ноутбука, через який відбувається обмін інформацією та забезпечується живлення тюнера. До антени тюнер підключений 50омним коаксіальним кабелем з малогабаритним коаксіальним роз'ємом. Для приймання відбитих метеорними слідами радіосигналів був використаний SDR USB приймач типу DVBT+DAB+FM у комплексі з 6 елементною антеною типу "хвильовий канал", налаштованою на частоту 88,2 мГц. Основні характеристики приймача наступні: Діапазон прийнятих частот 451500 МГц. Чутливість 0,25-0,35 мкВ. Динамічний діапазон 40 дб. Інтерфейс USB. Приймач призначений для приймання цифрового телебачення, цифрового та FM віщання в комплекті з комп'ютером або ноутбуком, в якому установлюється відповідне програмне забезпечення. В той же час, функціональність модуля може бути суттєво розширена застосуванням додаткового програмного забезпечення, завдяки чому він може бути використаний як панорамний приймачспектроаналізатор, що дозволило з успіхом застосувати його для реєстрації сигналів в УКХ діапазоні хвиль. Конструктивно приймач реалізований у вигляді USB модуля і містить два основні функціональні "чипи". Це модуль тюнера на мікросхемі Rafael Mikro R820T або 2 UA 117155 U 5 10 15 20 25 30 ELONICS E4000 і модуль керування, реалізований на мікросхемі Realtek RTL2832U, що забезпечує аналого-цифрове перетворення і передачу на комп'ютер потоку 8-бітних квадратурних сигналів при частоті дискретизації 2,5 MSPS (млн. вибірок за секунду). Більшу частину часу звуковий сигнал, що надходить з виходу частотного демодулятора FmПриймача, налаштованого на загоризонтну радіостанцію, являє собою фоновий шум. На фіг. 2 а) наведено спектр такого сигналу, де U - напруга, F - частота. Епізодично, внаслідок відбиття від іонізованого сліду метеороїду, на виході Fm-Приймача з'являється сигнал радіостанції, тривалість якого в основному знаходиться в інтервалі від 0,01 з до 10 с. Іноді аномальне приймання загоризонтних радіостанцій відбувається в результаті переломлення радіохвиль, обумовленого температурною інверсією у верхніх шарах атмосфери. При цьому одночасно можуть прийматися декілька радіостанцій. Тривалість цього явища може становити від декількох хвилин до декількох годин. Звуковий сигнал радіостанції містить музику та мовні фонеми, спектр яких відрізняється яскраво вираженою нерівномірністю в спектрі, що показано на фіг. 2 б). Також серед прийнятих сигналів присутні техногенні завади, для яких характерна перевага низьких частот. Автоматичне виділення метеорів включає наступні основні етапи: 1. Первинна обробка аудіопотоку; 2. Побудова частотно-часового поля; 3. Обробка частотно-часового поля; 4. Розрахунки параметрів часових інтервалів частотно-часового поля; 5. Обробка параметрів часових інтервалів, виділення метеорів. Перед обробкою номінальну частоту fn вибірки приводили до діючої fv шляхом уведення поправочного коефіцієнта η, що враховує помилку ходу внутрішнього генератора приймача. Для визначення коефіцієнта пропорційності η = fv / fn між fv і fn були проведені вимірювання значень частот гармонік сигналу 5 МГц, формованого рубідієвим стандартом частоти і подаваного на антенний вхід приймача "DVB-T+DAB+FM". В результаті вимірювань було отримано середнє значення коефіцієнта η = 1.000056 і його середньоквадратичне відхилення (СКВ), яке дорівнює -6 1,5•10 . Далі застосовували ковзне згладжування аудіопотоку, яке дозволяє відсікти високочастотну (>1000 Гц) шумову складову аудіосигналу за наступною формулою: 1 m  t  Fd , 2 im  35 40 45 j i  j  i m 2m  1 , де: Aj - вихідні значення амплітуди аудіопотоку;   i - згладжені значення амплітуди; t  1мс - інтервал часу для згладжування; m - половинна кількість амплітуд, за якими проводиться згладжування; Fd - частота дискретизації. Для автоматичного виділення фрагментів аудіопотоку, що містять сигнал радіостанції, будували частотно-часове поле - послідовність спектрів аудіосигналу, обчислених на коротких інтервалах часу. Частотно-часове поле обчислювали за допомогою швидкого перетворення Фур'є (ШПФ) по L відліках амплітуди з кроком k відліків. Uk - частотно-часове поле з порядковим номером частотного фільтра ШПФ I, відповідним до частоти f   Fd ; і номером L k  k . Cпектри аудіосигналу часового інтервалу k, відповідним до моменту часу t k  Fd розраховують на інтервалах часу L  65536  0,262 c з кроком k  L  0,131c . Fd 250000 Fd 2 Fd Фон частотно-часового поля має характерні риси: плавна зміна середньої амплітуди від частоти та наявність зосереджених по частоті спектральних піків. З цієї причини на першому етапі обробки частотно-часового поля здійснювали усунення подібних піків за допомогою процедури нормування за наступною формулою: SNR ki  Uki  Ui , i 3 UA 117155 U 5 10 15 20 25 30 35 40 де SNR ki - частотно-часове поле, приведене до відношення сигнал/шум; U i і  i - середнє значення та СКВ (середньоквадратичні відхилення), варіацій спектральної амплітуди і-зо фільтра ШПФ. В такий спосіб у частотно-часовому полі забирали зосереджені по частоті спектральні складові, а також здійснювали переведення спектра зі значень амплітуд аудіосигналу в значення відношення сигнал/шум. На фіг. 3 а) наведено зображення спектра після переходу до відношення сигнал/шум. Вихідним для побудови фіг. 3 а) був спектр, показаний на фіг. 2, б). На фіг. 3 б) показаний згладжений спектр. На фіг. 3 а) і б) SNR - відношення сигнал /шум, F частота. Після нормування проводили пошук фрагментів аудіосигналу в діапазоні +/-20 кГц від несучої частоти: знаходили середні значення всіх спектрів за моментом часу і серед знайдених середніх значень вибирали значення, що перевищують 5 СКВ. Фрагменти аудіосигналу радіостанції тривалістю менше 10 секунд вважаються метеорами, з більшою тривалістю явищами температурної інверсії. Як основні параметри зберігали початковий момент часу метеорної луни та всі значення вихідного сигналу, в яких знайдено луну. Спосіб був здійснений у НДІ "Миколаївська астрономічна обсерваторія", в якій протягом декількох останніх років велися безперервні спостереження відбитих метеорами радіосигналів польської радіомовної УКХ радіостанції, розташованої в м. Кельце. Потужність станції 100 кВт. Частота випромінювання 88,2 МГц. При використанні способу здійснювалися збереження зображень метеорних явищ, їх виділення із завад, статистична обробка та оперативне відправлення даних, в тому числі, у міжнародну метеорну мережу (ІМО). Спосіб дозволяє реєструвати від 10 до 100 метеорних явищ за годину залежно від часу доби та інтенсивності метеорної активності. На фіг. 4 показана результуюча статистика метеорних явищ за 21 добу (з 01.03.2017 по 21.03.2017). Застосування способу згідно з винаходом в умовах реальних індустріальних, грозових і тропосферних завад дозволило поліпшити результативність і надійність поточної статистики спостережень метеорних явищ в атмосфері планети у порівнянні з раніше використовуваними способами. Перелік цитованих джерел 1. Elford, W. G. Radar observations of meteors. / Meteoroids and their parent bodies, Proceedings of the international Astronomical Symposium held at Smolenice, Slovakia, July 6-12, 1992, Bratislava: Astronomical Institute, Slovak Academy of Sciences, 1993, edited by J. Stohl and IP. Williams. - Р. 235. 2. Cervera, M.; Elford, W. G.; Steel, D. I. Meteor observations with the Adelaide 54 Mhz radar. / Meteoroids and their parent bodies, Proceedings of the International Astronomical Symposium held at Smolenice, Slovakia, July 6-12, 1992, Bratislava: Astronomical Institute, Slovak Academy of Sciences, 1993, edited by J. Stohl and IP. Williams. - Р. 249. 3. Kashcheyev, В.; Pososhenko, V.; Tata rets, L; Oleynikov, A.; Slipchenko, N.; Solyanik, O. MARS-M: A highly sensitive automated meteor radar. / Meteoroids 1998, editors: W. J. Baggaley and V. Porubcan. Proceedings of the International Conference heldatTatranska Lomnica, Slovakia, August 17-21, 1998. Astronomical Institute of the Slovak Academy of Sciences, 1999. - Р. 107. 4. R-Meteor: https://www.coaa.co.uk/r meteor.htm 5. Radiorecorder: http://www.soft.belastro.net/?part=1 6. Spectrumlab manual: http://www.qsl.net/dl4yhttppeclab/index.htm 45 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 50 55 Спосіб пасивної реєстрації метеорних явищ у радіодіапазоні, при якому за допомогою антени приймають радіосигнали потужних FM віщальних радіостанцій, відбитих від метеорних іонізованих слідів, передають сигнал на приймач із діапазоном прийнятих частот 45-1500 МГц і обробляють сигнал з використанням комп'ютера, який відрізняється тим, що як приймач використовують приймач, що містить модуль тюнера та модуль керування, що забезпечує аналого-цифрове перетворення і передачу на комп'ютер потоку 8-бітних квадратурних сигналів при частоті дискретизації 2,5 MSPS (млн. вибірок за секунду), перед обробкою аудіопотоку частоту вибірки приводять до діючої шляхом введення поправочного коефіцієнта, що враховує помилку ходу внутрішнього генератора приймача, здійснюють ковзне згладжування аудіопотоку, яке дозволяє відсікти високочастотну (>1000 Гц) шумову складову аудіосигналу за наступною формулою: 1 m  t  Fd , 2 4 UA 117155 U im  5 10 15 20 j i  j  i m 2m 1 , де: Aj - вихідні значення амплітуди аудіопотоку;   i - згладжені значення амплітуди; t  1мс інтервал часу для згладжування; m - половинна кількість амплітуд, за якими проводиться згладжування; Fd - частота дискретизації, для автоматичного виділення фрагментів аудіопотоку, що містять сигнал радіостанції, будують частотно-часове поле - послідовність спектрів аудіосигналу, обчислених на коротких інтервалах часу, за допомогою швидкого перетворення Фур'є (ШПФ) по L відліках амплітуди з кроком k відліків обчислюють частотно-часове поле Ukl  з порядковим номером частотного фільтра ШПФ I, відповідним до частоти f  Fd ; і номером L k  k часового інтервалу k, відповідним до моменту часу t k  , при цьому спектри аудіосигналу Fd L 65536 k L   0,262 c з кроком   0,131c , Fd 250000 Fd 2 Fd причому на першому етапі обробки частотно-часового поля здійснюють усунення зосереджених по частоті спектральних піків за допомогою процедури нормування за наступною формулою: U  Ui SNR ki  ki , i розраховують на інтервалах часу де SNR ki - частотно-часове поле, приведене до відношення сигнал/шум; U i і  i - середнє значення та СКВ (середньоквадратичні відхилення), варіацій спектральної амплітуди і-зо фільтра ШПФ, після виконання всіх етапів проводять пошук фрагментів аудіосигналу в діапазоні +/- 20 кГц від несучої частоти для знаходження середніх значень усіх спектрів за моментом часу, серед знайдених середніх значень вибирають значення, що перевищують 5 СКВ (середньоквадратичних відхилень), фрагменти аудіосигналу радіостанції, тривалістю менше 10 секунд, вважають метеорами, з більшою тривалістю - явищами температурної інверсії, як основні параметри зберігають початковий момент часу метеорної луни та всі значення вихідного сигналу, в яких знайдена луна. 5 UA 117155 U 6 UA 117155 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7