Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

Предлагаемые способ и система относятся к области экологии и могут быть использованы для обнаружения и определения координат источников радиоизлучений (ИРИ) экологического или стихийного бедствия, объектов, расположенных под поверхностью земли, снегового или ледового покрова, и течи в подземных трубопроводах систем нефте- и газоперекачки.

Известны способы и системы экологического мониторинга (авт. свид. СССР №№1.216.551, 1.283.566, 1.610.347, 1.657.988, 1.679.232, 1.705.709, 1.733.837, 1.777.014, 1.778.597, 1.812.386; патенты РФ №№2.135.887, 2.138.037, 2.231.037, 2.315.340, 2.324.957, 2.413.250; патенты США №№3.808.519, 4.289.010, 4.570.477, 5.038.614; патент Великобритании №1.349.129; патент Франции №2.498.325; патенты Японии №№59-38.537, 60-14.900, 63-22.531 и другие).

Из известных способов наиболее близким к предлагаемому является «Способ экологического мониторинга» (патент РФ №2.413.250, G01V 3/16, 2009), который и выбран в качестве базового объекта.

Данный способ обеспечивает дистанционное определение с борта вертолета координат источника радиоизлучений экологического или стихийного бедствия и мест утечек жидкости или газа из заглубленного магистрального трубопровода. При этом трассу магистрального трубопровода облетают на вертолете и осуществляют его обзор четырьмя радиолокаторами. Одновременно сканируют магистральный трубопровод съюстированными тепловизионным и телевизионным датчиками и осуществляют совместную цифровую обработку сигналов датчиков.

Однако потенциальные возможности известного способа используются не в полной мере. Данный способ может быть использован и для оперативной конфиденциальной передачи полученной информации с борта вертолета на наземный пункт экологического и стихийного контроля непосредственно или через геостационарный ИС3-ретранслятор для экстренного принятия мер по ликвидации последствий экологического или стихийного бедствия.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей способа путем оперативной и конфиденциальной передачи полученной информации с борта вертолета на наземный пункт экологического и стихийного контроля непосредственно или через геостационарный ИС3-ретранслятор для экстренного принятия мер по ликвидации последствий экологического или стихийного бедствия.

Поставленная задача решается тем, что способ экологического мониторинга, заключающийся, в соответствии с ближайшим аналогом, в обзоре трубопровода трассоискателем путем облета на вертолете, одновременном сканировании трубопровода съюстированными тепловизионным и телевизионным датчиками и совместной цифровой фильтрации сигналов радиолокаторов, тепловизионного и телевизионного датчиков, при этом в качестве трассоискателя используют четыре радиолокатора разных длин волн, приемопередающие антенны четырех радиолокаторов размещают на концах лопастей несущего винта вертолета, принятые ими сигналы обрабатывают по алгоритму синтезированной апертуры, а о месте утечки жидкости или газа из трубопровода судят по локальному понижению температуры, зарегистрированному тепловизионным датчиком, и информации, полученной радиолокаторами и телевизионным датчиком, при этом о глубине залегания трубопровода судят по цвету его изображения на экране индикатора, одновременно принимают сигналы источника радиоизлучений экологического или стихийного бедствия на пять антенн, четыре из которых являются приемопередающими и размещены на концах лопастей несущего винта вертолета, над втулкой которого помещают пятую приемную антенну измерительного канала, общую для четырех пеленгационных каналов, расположенных в азимутальной и угломестной плоскостях, по два на каждую плоскость, и подключенных к приемопередающим антеннам соответственно, преобразуют принимаемые сигналы по частоте с использованием частоты w_Г1 первого гетеродина, которую изменяют по пилообразному закону в заданном диапазоне частот, выделяют напряжения первой промежуточной частоты, в случае обнаружения сигнала источника радиоизлучений экологического или стихийного бедствия прекращают перестройку частоты w_Г1 первого гетеродина на время, необходимое для анализа параметров обнаруженного сигнала и их регистрации, повторно преобразуют напряжение первой промежуточной частоты измерительного канала по частоте с использованием стабильной частоты w_Г2 второго гетеродина, выделяют напряжение второй промежуточной частоты, анализируют и регистрируют основные параметры обнаруженного сигнала, перемножают напряжение второй промежуточной частоты измерительного канала с напряжениями первой промежуточной частоты пеленгационных каналов, выделяют фазомодулированные напряжения на стабильной частоте w_Г2 второго гетеродина, перемножают фазомодулированные напряжения в каждой плоскости между собой, выделяют низкочастотные напряжения на частоте Ω вращения винта вертолета, точно, но неоднозначно измеряют азимут α и угол места β источника радиоизлучений экологического или стихийного бедствия с использованием напряжения опорного генератора на частоте Ω, в каждой плоскости осуществляют автокорреляционную обработку фазомодулированных напряжений, грубо, но однозначно измеряют азимут α и угол места β источника радиоизлучений экологического или стихийного бедствия, регистрируют и обрабатывают измеренные значения азимута α и угла места β, отличается от ближайшего аналога тем, что формируют из зарегистрированной информации аналоговое и цифровое сообщения, скремблируют их, аналоговым скремблированным сообщением модулируют по амплитуде высокочастотное колебание, формируют сигнал с амплитудной модуляцией, манипулируют его по фазе скремблированным цифровым сообщением, формируют сложный сигнал с комбинированной амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией, усиливают его по мощности, излучают в эфир, улавливают его на наземном пункте экологического контроля, усиливают по напряжению, преобразуют по частоте с использованием напряжения гетеродина, частоту которого периодически перестраивают в заданном диапазоне частот, выделяют напряжение промежуточной частоты, удваивают его фазу, измеряют ширину спектра напряжения промежуточной частоты и его второй гармоники, сравнивают их между собой и в случае значительного их отличия принимают решение об обнаружении сложного сигнала с комбинированной амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией и разрешают дальнейшую его обработку, ограничивают по амплитуде обнаруженный сложный сигнал с комбинированной амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией, формируют сигнал с фазовой манипуляцией, используют его в качестве опорного напряжения для синхронного детектирования сигнала с амплитудной модуляцией, выделяют первое низкочастотное напряжение, дескремблируют его, формируют низкочастотное напряжение, пропорциональное аналоговой модулирующей функции, регистрируют и анализируют его, выделяют вторую гармонику напряжения промежуточной частоты, ограничивают его по амплитуде, делят по фазе на два, выделяют гармоническое напряжение, используют его в качестве опорного напряжения для фазового детектирования сигнала с фазовой манипуляцией, выделяют второе низкочастотное напряжение, дескремблируют его, формируют низкочастотное напряжение, пропорциональное модулирующему коду, регистрируют и анализируют его.

Поставленная задача решается тем, что система экологического мониторинга, содержащая, в соответствии с ближайшим аналогом, блок радиолокационного контроля и блок радиотехнического контроля, размещенные на борту вертолета, при этом блок радиолокационного контроля содержит четыре радиолокатора, каждый из которых состоит из последовательно подключенных к выходу синхронизатора передатчика, антенного переключателя, второй вход которого соединен с выходом переключателя сектора обзора, а вход-выход связан с приемопередающей антенной, приемника, второй вход которого через генератор строб-импульса соединен с выходом синхронизатора, и блок обработки, второй вход которого соединен с выходом синхронизатора, а выход подключен к соответствующему входу четырехцветного индикатора, выходы антенных переключателей, синхронизатора, тепловизионного датчика и телевизионного датчика подключены к соответствующим входам блока приема, выход которого подключен к входу блока регистрации и обработки полученной информации, вход тепловизионного и телевизионного датчиков соединен с выходом синхронизатора, блок радиотехнического контроля состоит из одного измерительного канала и четырех пеленгаторных каналов, измерительный канал содержит последовательно включенные приемную антенну, первый смеситель, второй вход которого через первый гетеродин соединен с выходом блока перестройки, усилитель первой промежуточной частоты, обнаружитель, второй вход которого через первую линию задержки соединен с его выходом, ключ, второй вход которого соединен с выходом усилителя первой промежуточной частоты, второй смеситель, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина, усилитель второй промежуточной частоты и анализатор параметров принимаемого сигнала, каждый пеленгаторный канал содержит последовательно подключенные к выходу соответствующей приемопередающей антенны смеситель, второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина, усилитель первой промежуточной частоты, перемножитель, второй вход которого соединен с выходом усилителя второй промежуточной частоты, и узкополосный фильтр, при этом к выходу первого узкополосного фильтра последовательно подключены пятый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра, пятый узкополосный фильтр и первый фазометр, к выходу второго узкополосного фильтра последовательно подключены вторая линия задержки, первый фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом второго узкополосного фильтра, и второй фазометр, к выходу четвертого узкополосного фильтра последовательно подключены шестой перемножитель, второй вход которого соединен с выходом пятого узкополосного фильтра, шестой узкополосный фильтр и третий фазометр, к выходу пятого узкополосного фильтра последовательно подключены третья линия задержки, второй фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом пятого узкополосного фильтра, и четвертый фазометр, вторые входы фазометров соединены с выходом опорного генератора, а выходы подключены к соответствующим входам блока регистрации и обработки полученной информации, выходы блока приема и анализатора параметров принимаемого сигнала также подключены к соответствующим входам блока регистрации и обработки полученной информации, управляющий вход блока перестройки соединен с выходом обнаружителя, приемопередающие антенны размещены на концах лопастей несущего винта вертолета, приемная антенна размещена над втулкой винта вертолета, двигатель кинематически связан с винтом вертолета и опорным генератором, отличается от ближайшего аналога тем, что она снабжена телеметрическим устройством и наземным пунктом экологического контроля, причем телеметрическое устройство устанавливается на борту вертолета и содержит последовательно подключенные к первому выходу блока регистрации и обработки полученной информации формирователь аналогового сообщения, аналоговый скремблер, амплитудный модулятор, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, фазовый манипулятор, усилитель мощности и передающую антенну, которая размещена над втулкой винта вертолета, ко второму выходу блока регистрации и обработки полученной информации последовательно подключены формирователь цифрового сообщения и цифровой скремблер, выход которого соединен со вторым входом фазового манипулятора, наземный пункт экологического контроля содержит последовательно включенные приемную антенну, усилитель высокой частоты, смеситель, второй вход которого через гетеродин соединен с выходом блока перестройки, усилитель промежуточной частоты, удвоитель фазы, второй анализатор спектра, блок сравнения, второй вход которого через первый анализатор спектра соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, пороговый блок, второй вход которого через линию задержки соединен с его выходом, ключ, второй вход которого соединен с выходом усилителя промежуточной частоты, первый амплитудный ограничитель, синхронный детектор, второй вход которого соединен с выходом ключа, аналоговый дескремблер и блок регистрации и анализа, к выходу удвоителя фазы последовательно подключены первый узкополосный фильтр, второй амплитудный ограничитель, делитель фазы на два, второй узкополосный фильтр, фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом первого амплитудного ограничителя, и цифровой дескремблер, выход которого соединен со вторым входом блока регистрации и анализа, управляющий вход блока перестройки соединен с выходом порогового блока.

Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, представлена на фиг.1. Расположение приемопередающих и приемной антенны на концах лопастей несущего винта вертолета и над втулкой винта показано на фиг.2. Характеристики проникновения радиоволн различных длин изображены на фиг.3. Структурная схема наземного пункта экологического контроля представлена на фиг.4.

Устройство содержит блок 13 радиолокационного контроля и блок 16 радиотехнического контроля, состоящий из одного измерительного канала 17 и четырех пеленгаторных каналов.

Блок 13 радиолокационного контроля содержит четыре радиолокатора, каждый из которых состоит из последовательно подключенных к выходу синхронизатора 1 передатчика 2.1 (2.2, 2.3, 2.4), антенного переключателя 3.1 (3.2, 3.3, 3.4), второй вход которого соединен с выходом переключателя 7 сектора обзора, а вход-выход связан с приемопередающей антенной 4.1 (4.2, 4.3, 4.4) приемника 5.1 (5.2, 5.3, 5.4), второй вход которого через генератор 8 строб-импульса соединен с выходом синхронизатора 1 и блока 6.1 (6.2, 6.3, 6.4) обработки, второй вход которого соединен с выходом синхронизатора 1, а выход подключен к соответствующему вводу четырехцветного индикатора 9. Выходы антенных переключателей 3.1, 3.2, 3.3 и 3.4, синхронизатора 1, тепловизионного датчика 10 и телевизионного датчика 11 подключены к соответствующим входам блока 12 приема.

Измерительный канал 17 содержит последовательно включенные приемную антенну 18, первый смеситель 20, второй вход которого через первый гетеродин 19 соединен с выходом блока 32 перестройки, усилитель 25 первой промежуточной частоты, обнаружитель 30, второй вход которого через первую линию задержки 31 соединен с его выходом, ключ 33, второй вход которого соединен с выходом усилителя 25 первой промежуточной частоты, второй смеситель 35, второй вход которого соединен с выходом второго гетеродина 34, усилитель 36 второй промежуточной частоты и анализатор 37 параметров принимаемого сигнала.

Каждый пеленгаторный канал содержит последовательно подключенные к выходу приемопередающей антенны 4.1 (4.2, 4.3, 4.4) смеситель 21 (22, 23, 24), второй вход которого соединен с выходом первого гетеродина 19, усилителя 26 (27, 28, 29) первой промежуточной частоты, перемножитель 39 (40, 41, 42), второй вход которого соединен с выходом усилителя 36 второй промежуточной частоты, и узкополосный фильтр 43 (44, 45, 46). При этом к выходу первого (третьего) узкополосного фильтра 43 (45) последовательно подключены пятый (шестой) перемножитель 47 (48), второй вход которого соединен с выходом второго (четвертого) узкополосного фильтра 44 (46), пятый (шестой) узкополосный фильтр 51 (53) и первый (третий) фазометр 55 (57). К выходу второго (четвертого) узкополосного фильтра 44 (46) последовательно подключены вторая (третья) линии задержки 49 (50), фазовый детектор 52 (54), второй вход которого соединен с выходом второго (четвертого) узкополосного фильтра 44 (46), и второй (четвертый) фазометр 56 (58). Вторые входы фазометров 55, 56, 57 и 58 соединены с выходом опорного генератора 14, а выходы подключены к соответствующим входам блока 38 регистрации и обработки полученной информации. Выходы блока 12 приема и анализатора 37 параметров принимаемого сигнала также подключены к соответствующим входам блока 38 регистрации и обработки полученной информации.

Приемопередающие антенны 4.1, 4.2, 4.3 и 4.4 размещены на концах лопастей несущего винта вертолета, приемная антенна 18 и передающая антенна 68 размещены над втулкой винта вертолета. Двигатель 15 кинематически связан с винтом вертолета и опорным генератором 14.

Телеметрическое устройство 59 содержит последовательно подключенные к первому выходу блока 38 регистрации и обработки полученной информации формирователь 60 аналогового сообщения, аналоговый скремблер 62, амплитудный модулятор 65, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора 64, фазовый манипулятор 66, усилитель 67 мощности и передающую антенну 68. Ко второму выходу блока 38 регистрации и обработки полученной информации последовательно подключены формирователь 61 цифрового сообщения и цифровой скремблер 63, выход которого соединен со вторым входом фазового манипулятора 66.

Наземный пункт 69 экологического контроля содержит последовательно включенные приемную антенну 70, усилитель 71 высокой частоты, смеситель 74, второй вход которого через гетеродин 73 соединен с выходом блока 72 перестройки, усилитель 75 промежуточной частоты, удвоитель 78 фазы, второй анализатор 79 спектра, блок 80 сравнения, второй вход которого через первый анализатор 77 спектра соединен с выходом усилителя 75 промежуточной частоты, пороговый блок 81, второй вход которого через линию задержки 82 соединен с его выходом, ключ 83, второй вход которого соединен с выходом усилителя 75 промежуточной частоты, первый амплитудный ограничитель 84, синхронный детектор 85, второй вход которого соединен с выходом ключа 83, аналоговый дескремблер 86 и блок 93 регистрации и анализа. К выходу удвоителя 78 фазы последовательно подключены первый узкополосный фильтр 87, второй амплитудный ограничитель 88, делитель 89 фазы на два, второй узкополосный фильтр 90, фазовый детектор 91, второй вход которого соединен с выходом первого амплитудного ограничителя 84, и цифровой дескремблер 92, выход которого соединен с вторым входом блока 93 регистрации и анализа. Управляющий вход блока 72 перестройки соединен с выходом порогового блока 81.

Анализаторы 77 и 79 спектра, удвоитель 78 фазы, блок 80 сравнения, пороговый блок 81 и линия 82 задержки образуют обнаружитель (селектор) 76 ФМн-сигналов.

Предлагаемый способ экологического мониторинга осуществляется следующим образом.

На вертолете размещаются блок 13 радиолокационного контроля и блок 16 радиотехнического контроля. Блок 13 радиолокационного контроля содержит четыре радиолокатора, тепловизионное 10 и телевизионное 11 устройства и блок цифровой фильтрации сигналов тепловизионного, телевизионного и радиолокационных устройств. Блок 16 радиотехнического контроля содержит измерительный канал 17 и четыре пеленгационных канала.

Радиолокационный канал использует следующие длины волны: λ₁=5 м, λ₂=1 м, λ₃=0,6 м, λ₄=0,003 м и обеспечивает точное определение места залегания магистрального трубопровода (трассы трубопровода).

Вырабатываемые в синхронизаторе 1 импульсы запускают четыре передатчика 2.1-2.4 и управляют работой блоков 6.1-6.4 обработки, генератора 8 строб-импульса, цветного индикатора 9, тепловизионного датчика 10, телевизионного датчика 11 и блока 12 приема.

Длительность и положение во времени строб-импульса определяют положение и протяженность наблюдаемого элемента земной поверхности по дальности.

Каждый передатчик работает на своей длине волны, которая определяет глубину проникновения электромагнитного излучения под подстилающую поверхность.

Зондирующие импульсы с передатчиков 2.1-2.4 через антенные переключатели 3.1-3.4 поступают на свои антенны 4.1-4.4, каждая из которых расположена на конце лопасти несущего винта вертолета (фиг.2). Каждая антенна подключается к своему передатчику и приемнику только в момент прохождения определенного заранее установленного сектора обзора. Это осуществляется с помощью переключателя 7 сектора обзора, который представляет собой электрический контакт, выполненный в виде четырех щеток, расположенных под соответствующими лопастями, перемещающихся в процессе вращения по неподвижному токопроводящему сегменту, который, в свою очередь, может устанавливаться в фиксированном положении вокруг оси винта. Каждые передатчик и приемник подключаются к антенне только в период прохождения соответствующей щетки по сегменту. Положение сегмента определяет положение сектора обзора в пространстве.

Антеннами 4.1-4.4 сигналы излучаются в направлении подстилающей поверхности. Отраженные от трубопровода сигналы принимаются антеннами 4.1-4.4 и через антенные переключатели 3.1-3.4 подаются на приемники 5.1-5.4, а затем на блоки 6.1-6.4 обработки, в которых осуществляется обработка принятых сигналов по алгоритму синтезирования апертуры. В этих же блоках учитывается эффект изменения дальности от антенны до трубопровода, вызванный перемещением антенн по окружности в процессе синтезирования. В блоках 6.1-6.4 обработки обрабатываются сигналы, принятые только с определенного участка дальности, положение и протяженность которого определяется стробирующим импульсом, подаваемым с генератора 8. С блоков 6.1-6.4 обработки сигналы поступают на индикатор 9 с цветным изображением, причем сигналы с каждого блока обработки соответствуют изображению в определенном цвете. Применение четырех радиолокаторов λ₁=5 м, λ₂=1 м, λ₃=0,6 м, λ₄=0,003 м с синтезированной апертурой позволяет обнаружить и определить координаты трубопровода, расположенного под подстилающей поверхностью земли, с высокой угловой разрешающей способностью. При этом одновременно по цвету изображения можно судить о глубине расположения трубопровода под поверхностью земли.

Тепловизионный канал позволяет фиксировать прямой физический признак утечки газа из заглубленного газопровода в виде локального понижения температуры (отрицательного теплового контраста на поверхности покрытия газопровода в районе течи) вследствие проявления дроссельного эффекта при истечении газа из газопровода. При этом возможные поверхностные тепловые контрасты в районе течи, по имеющимся экспериментальным и расчетным данным, составляют до 8-10°С, что существенно превышает пороговые характеристики контрастной чувствительности тепловизионных приборов (0,5-1,0°С), и, соответственно, могут быть выявлены измерениями. Однако эффективное выделение места течи по этому прямому физическому признаку затруднено вследствие наличия естественной неоднородности температурного поля.

В районе залегания трубопровода значения случайных температурных контрастов, вызванных рядом факторов: характер покрытия и структура почвы, время суток, года, метеоусловия, - могут быть соизмеримы или даже превышать значения идентифицируемых локальных температурных контрастов в районе течи. Соответственно для повышения надежности селекции места течи предлагается использовать информацию дополнительных каналов: радиолокационного и телевизионного, позволяющих выделить косвенные признаки, сочетание которых с измерением прямого признака (отрицательного теплового контраста) существенно снижает вероятность ошибочной идентификации (ложной тревоги).

Так, радиолокационный канал, выделяя геометрическое расположение металлического трубопровода на местности по контрастам радиолокационных сигналов на четырех частотах, формирует тем самым косвенный логический признак возможного расположения места течи, а именно только в районе расположения трубопровода.

Телевизионный канал, выделяя поле контрастов, первопричиной которых является наличие внешнего источника подсветки (солнца), также позволяет формировать косвенные логические признаки наличия течи, т.е. внутреннего не связанного с внешней подсветкой источника отрицательного контраста, за счет совместной оценки размеров фактуры знака контрастных образований телевизионного и тепловизионного кадров с учетом условий подсветки (освещенность, метеоусловия и др.).

Таким образом, совместный логический анализ (фильтрация) сигналов многоканальной системы, измеряющей прямой признак (тепловой контраст) и косвенные признаки (контрасты отраженного излучения внешних источников, подсветки видимого и радиодиапазонов), позволяет существенно повысить эффективность обнаружения течи по сравнению с одноканальным способом, например тепловизионного или спектрального анализа поглощения газовых продуктов на местности.

Использование четырех радиолокаторов λ₁=5 м, λ₂=1 м, λ₃=0,6 м, λ₄=0,003 м в предлагаемом способе вызвано необходимостью, с одной стороны, обеспечения возможности получения допустимых для измерения отраженных сигналов от трубопровода, заглубленного в траншее на 1,5-2,0 м, с другой, - локализации расположения трубопровода по результатам измерений с определенными ошибками для большей достоверности и точности выделения косвенного признака.

Оценка показала, что использование более коротковолнового радиоизлучения не обеспечивает локации трубопровода при требуемых заглублениях (1,5-2,0 м). С другой стороны, локация более длинноволновым диапазоном (десятки метров и более), обеспечивая прохождение сигнала на требуемую глубину залегания трубопровода, имеет неудовлетворительные показатели по точности пеленгации сигналов (в пределах десятков градусов).

Также неудовлетворительным является для предлагаемого способа оперативного контроля течи посредством, например, облета вертолетом и использования известного метода локализации металлических трубопроводов по искажениям геомагнитного поля (магнитометрический метод). При допустимых из условий безопасности высоких высотах полета не менее 50-100 м наличие значительной помеховой металлической массы в зоне измерения (корпус вертолета), выделение искажений геомагнитного поля, вызванных наличием массы трубопровода, аппаратурно затруднено. При этом точность пеленгации магнитометрическим методом не превосходит 20-30°, что существенно снижает ценность измеряемого косвенного признака.

Для обнаружения и определения координат источников радиоизлучений (ИРИ) экологического или стихийного бедствий на борту вертолета установлен блок 16 радиотехнического контроля. При этом в качестве ИРИ экологического или стихийного бедствия могут быть радиоизлучения специальных машин, перевозящих опасные грузы (например, горючее, взрывчатые вещества, сильнодействующие ядовитые вещества, радиоактивные вещества, биологические вещества и т.п.), радиоизлучения специальных машин, перевозящих промышленные отходы и мусор в места складирования и переработки, радиоизлучения пожарных и наблюдательных постов и т.п.

В качестве сигналов бедствия, как правило, используются сложные сигналы с фазовой манипуляцией (ФМн), обладающие высокой энергетической и структурной скрытностью.

Принимаемые антеннами 18 4.1-4.4 сигналы, например, с фазовой манипуляцией (ФМн)

U₁(t)=υ₁Cos[(ω_c±∆ω)t+φ_k(t)+φ_c)],

,

,

,

, 0≤t≤T_c,

где υ₁-υ₅, ω_c, φ_c, T_c - амплитуды, несущая частота, начальная фаза и длительность сигнала; ±∆ω - нестабильность несущей частоты сигнала, обусловленная различными дестабилизирующими факторами; φ_k(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом, в котором заложена информация о типе экологического бедствия; R - радиус окружности (длина лопасти), на которой размещены приемные антенны 4.1-4.4; Ω=2πR - скорость вращения винта вертолета; α, β - азимут и угол места ИРИ; λ - длина волны, поступают на первые входы смесителей 20-24 соответственно, на вторые входы которых подается напряжение первого гетеродина 19 линейно-изменяющейся частоты.

U_Г1(t)=υ_Г1Cos(ω_Г1t+πγt²+φ_Г1), 0≤t≤T_Г1,

где - скорость изменения частоты гетеродина; Df - заданный диапазон частот; Тп - период перестройки.

Следует отметить, что поиск ФМн-сигналов в заданном диапазоне частот Df осуществляется с помощью блока 32 перестройки, который периодически с периодом Тп по пилообразному закону изменяет частоту ω_Г1 гетеродина 19. В качестве блока 32 перестройки может использоваться генератор пилообразного напряжения. Заданный диапазон частот Df и частоты радиолокаторов не совпадают.

На выходе смесителей 20-24 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 25-29 выделяются напряжения первой промежуточной частоты

U_пр1(t)=υ_пр1Cos[(ω_пр1±∆ω)t-πγt²+φ_пр1],

,

,

,

,

0≤t≤T_c,

где ; ; ; ; ; ω_пр1=ω_c-ω_Г1 - первая промежуточная частота; φ_пр1=φ_c-φ_Г1.

Напряжение U_пр1(t) с выхода усилителя 25 первой промежуточной частоты поступает на вход обнаружителя 30. При обнаружении ФМн-сигнала на выходе обнаружителя 30 появляется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход блока 32 перестройки, выключая его, на управляющий вход ключа 33, открывая его, и на вход линии задержки 31. Ключ 33 в исходном состоянии всегда закрыт. Время задержки τ₃ линии задержки 31 выбирается таким, чтобы можно было зафиксировать обнаруженный ФМн-сигнал и проанализировать его параметры.

При выключении блока 32 перестройки усилителями 25-29 выделяются следующие напряжения:

U_пр6(t)=υ_пр1Cos[(ω_пр1±∆ω)t-φ_k(t)+φ_пр1],

,

,

,

,

0≤t≤T_c

Напряжение U_пр6(t) с выхода усилителя 25 первой промежуточной частоты через открытый ключ 33 поступает на первый вход смесителя 35, на второй вход которого подается напряжение второго гетеродина 34 со стабильной частотой ω_Г2

U_Г2(t)=υ_Г2Cos(ω_Г2t+φ_Г2).

На выходе смесителя 35 образуются напряжения комбинационных частот.

Усилителем 36 выделяется напряжение второй промежуточной частоты

U_пр11(t)=υ_пр11Cos[(ω_пр2±∆ω)t+φ_k(t)+φ_пр2], 0≤t≤T_c,

где ; ω_пр2=ω_пр1-ω_Г2 - вторая промежуточная частота; φ_пр2=φ_пр1-φ_Г2, которое поступает на вход анализатора 37 параметров принимаемого сигнала, где определяются длительность τ_Э элементарных посылок, из которых составлен ФМн-сигнал, их количество N, длительность T_c(Tc=Nτ_Э) и закон фазовой манипуляции.

Напряжение U_пр11(t) с выхода усилителя 36 второй промежуточной частоты одновременно подается на вторые входы перемножителей 39-42 пеленгаторных каналов, на первые входы которых поступают напряжения U_пр7(t), U_пр8(t), U_пр9(t), Uпр10(t) с выходов усилителей 26-29 первой промежуточной частоты соответственно. На выходе перемножителей 39-42 образуются фазомодулированные (ФМ) напряжения на стабильной частоте ω_Г2 второго гетеродина

,

,

,

, 0≤t≤T_c

где ; ; ; ,

которые выделяются узкополосными фильтрами 43-46 с частотой настройки ω_H=ω_Г2

Знаки «+» и «-» перед величинами и соответствуют диаметрально противоположным расположениям антенн 4.1 и 4.2, 4.3 и 4.4 на концах лопастей несущего винта вертолета относительно приемной антенны 18, размещенной над втулкой винта вертолета.

Следовательно, полезная информация об азимуте α и угле β переносится на стабильную частоту ω_Г2 второго гетеродина 34. Поэтому нестабильность ±∆ω несущей частоты, вызванная различными дестабилизирующими факторами, и вид модуляции (манипуляции) принимаемых сигналов не влияют на результат пеленгации, тем самым повышается точность определения местоположения ИРИ.

Причем величина, входящая в состав указанных колебаний и называемая индексом фазовой модуляции, характеризует максимальное значение отклонения фазы сигналов, принимаемых вращающимися антеннами 4.1-4.4 относительно фазы сигнала, принимаемого неподвижной антенной 18.

Пеленгаторное устройство тем чувствительнее к изменению углов α и β, чем больше относительный размер измерительной базы. Однако с ростом - уменьшаются значения угловых координат α и β, при которых разности фаз превосходят значение 2π, т.е. наступает неоднозначность отсчета углов α и β.

Следовательно, при наступает неоднозначность отсчета углов α и β. Устранение указанной неоднозначности путем уменьшения соотношения обычно себя не оправдывает, так как при этом теряется основное достоинство широкобазовой системы. Кроме того, в диапазоне метровых и особенно дециметровых волн брать малые значения часто не удается из-за конструктивных соображений.

Для повышения точности пеленгации ИРИ в горизонтальной (азимутальной) и вертикальной (угломестной) плоскостях приемные антенны 4.1 и 4.2, 4.3 и 4.4 размещаются на концах лопастей несущего винта вертолета. Смешение сигналов от двух диаметрально противоположных приемных антенн 4.1 и 4.2, 4.3 и 4.4, находящихся на одинаковом расстоянии R от оси вращения несущего винта, вызывает фазовую модуляцию, аналогичную получаемой с помощью двух приемных антенн, вращающихся по кругу, радиус R₁ которого в два раза больше (R₁=2R).

Действительно, на выходе перемножителей 47 и 48 образуются гармонические напряжения

U₁₀(t)=υ₁₀Cos(Ω-α),

U₁₁(t)=υ₁₁Cos(Ω-β), 0≤t≤T_c,

где ; и индексом фазовой модуляции

, R₁=2R,

которые выделяются узкополосными фильтрами 51, 53 соответственно и поступают на первые входы фазометров 55 и 57, на вторые входы которых подается напряжение опорного генератора 14

U₀(t)=υ₀CosΩt.

Фазометры 55 и 57 обеспечивают точное, но неоднозначное измерение угловых координат α и β.

Для устранения возникающей при этом неоднозначности отсчета углов α и β необходимо уменьшить индекс фазовой модуляции без уменьшения . Это достигается использованием автокорреляторов, состоящих из линий задержки 49, 50 и фазовых детекторов 52, 54, что эквивалентно уменьшению индекса фазовой модуляции до величины

, где d₁<R.

На выходе автокорреляторов образуются напряжения

U₁₂(t)=υ₁₀Cos(Ω-α),

U₁₃(t)=υ₁₁Cos(Ω-β)

с индексом фазовой модуляции ∆φ_m2, которые поступают на первые входы фазометров 56 и 58, на вторые входы которых подается напряжение U₀(t) опорного генератора 14. Фазометры 56 и 58 обеспечивают грубое, но однозначное измерение углов α и β.

Минимальное расстояние R₀ от ИРИ до винта вертолета определяется из выражения,

Fg(t)≈(V²t²)/(λR₀),

где Fg(t) - доплеровский сдвиг частоты; V=ΩR, λ - длина волны.

Доплеровский сдвиг частоты измеряется в анализаторе 37 параметров принимаемого сигнала, в котором также определяется R₀.

Местоположение ИРИ определяется по измеренным значениям α, β и R₀ в блоке 38 регистрации и обработки полученной информации.

По истечении времени τ₃ постоянное напряжение с выхода линии задержки 31 поступает на управляющий вход обнаружителя 30 и сбрасывает его содержимое на нулевое значение. При этом ключ 33 закрывается, а блок 32 перестройки включается, т.е. они переводятся в свои исходные положения.

При обнаружении сигнала следующего источника радиоизлучений экологического или стихийного бедствия работа устройства происходит аналогичным образом.

Для оперативной и конфиденциальной передачи полученной аналоговой и цифровой информации с борта вертолета на наземный пункт экологического контроля непосредственно или через геостационарный ИС3-ретранслятор для экстренного принятия мер по ликвидации последствий экологического или стихийного бедствия используется телеметрическое устройство 59. При этом формирователь 60, подключенный к первому выходу блока 38 регистрации и обработки полученной информации формирует аналоговое сообщение, которое через аналоговый скремблер 62 поступает на первый вход амплитудного модулятора 65, на второй вход которого подается высокочастотное колебание с выхода задающего генератора 64

U₁₄(t)=υ₁₄Cos(ω₁t+φ₁), 0≤t≤T₁.

На выходе амплитудного модулятора 65 образуется сигнал с амплитудной модуляцией (AM)

U₁₅(t)=υ₁₄[1+m(t)]Cos(ω₁t+φ₁), 0≤t≤T₁,

где m(t) - модулирующая функция амплитудной модуляции, который поступает на первый вход фазового манипулятора 66.

Формирователь 61, подключенный ко второму выходу блока 38 регистрации и обработки полученной информации формирует цифровое сообщение в виде модулирующего кода M(t), который через цифровой скремблер 63 поступает на второй вход фазового манипулятора 66. На выходе последнего образуется сложный сигнал с комбинированной амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией (АМ-ФМн)

U₁₆(t)=υ₁₄[1+m(t)]Cos[ω₁t+φ_k1(t)+φ₁], 0≤t≤T₁,

где φ_k1(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с модулирующим кодом M(t), причем φ_k1(t)=const при kτ_э<t<(k+1)τ_э и может изменяться скачком при t=kτ_э, т.е. на границах между элементарными посылками (k=1, 2, …, N₁); τ_э'N₁ - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т₁ (T₁=N₁τ_э).

Этот сигнал после усиления в усилителе 67 мощности поступает в передающую антенну 68 и излучается ею в эфир.

Аналоговый 62 и цифровой 63 скремблеры реализуют криптографические методы, которые являются эффективными методами защиты передаваемых аналогового и цифрового сообщений от несанкционированного доступа.

Сформированный АМ-ФМн-сигнал U₁₆(t) улавливается приемной антенной 70 наземного пункта 69 экологического контроля и через усилитель 71 высокой частоты поступает на первый вход смесителя 74, на второй вход которого подается напряжение гетеродина 73 линейно-изменяющейся частоты

U_Г(t)=υ_ГCos[φ_Гt+πγt²+φ_Г], 0≤t≤Т_П,

где - скорость изменения частоты в заданном диапазоне частот; Т_П - период перестройки.

Следует отметить, что поиск сложных АМ-ФМн-сигналов осуществляется с помощью блока 72 перестройки, который периодически с периодом Т_П изменяет частоту ω_Г гетеродина 73.

На выходе смесителя 75 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 75 выделяется напряжение промежуточной частоты

U_пр12(t)=υ_пр12[1+m(t)]Cos[ω_прt+φ_k1(t)-πγt²+φ_пр12], 0≤t≤T₁,

где ;

ω_пр=ω₁-ω_Г - промежуточная частота;

φ_пр12=φ₁-φ_Г,

которое поступает на вход обнаружителя 46 сигнала.

При этом на выходе удвоителя 78 фазы образуется напряжение

U₁₇(t)=υ[1+m(t)]Cos(2ω_прt-2πγt²+2φ_пр12,

где в котором манипуляция фазы уже отсутствует.

Ширина спектра ∆f₂ второй гармоники сигнала определяется длительностью T₁ сигнала , тогда как ширина спектра входного АМ-ФМн-сигнала определяется длительностью его элементарных посылок , т.е. ширина спектра второй гармоники сигнала в N раз меньше ширины спектра входного сигнала .

Следовательно, при удвоении фазы АМ-ФМн-сигнала его спектр сворачивается в N₁ раз. Это обстоятельство и позволяет обнаружить и отселектировать АМ-ФМн-сигнал даже тогда, когда его модность на входе приемника меньше мощности шумов и помех.

Ширина спектра ∆f_c входного АМ-ФМн-сигнала измеряется с помощью анализатора спектра 77, а ширина спектра ∆f₂ второй гармоники сигнала - с помощью анализатора спектра 79. Напряжения υ₁ и υ₂, пропорциональные ∆f_c и ∆f₂ соответственно, с выходов анализаторов спектра 77 и 79 поступают на два входа блока 80 сравнения. Так как υ₁>>υ₂, то на выходе блока 80 сравнения образуется положительное напряжение, которое превышает пороговый уровень υ_пор в пороговом блоке 81. Пороговое напряжение υ_пор выбирается таким, чтобы его не превышали случайные помехи. При превышении порогового уровня υ_пор в пороговом блоке формируется постоянное напряжение, которое поступает на управляющий вход блока 72 перестройки, останавливая его, на управляющий вход ключа 83, открывая его, и на вход линии задержки 82. Ключ 83 в исходном состоянии всегда закрыт.

При прекращении перестройки гетеродина 73 усилителем 75 выделяется следующее напряжение

U_пр13(t)=υ_пр12[1+m(t)]Cos[ω_прt+φ_k1(t)+φ_пр12],

которое через открытый ключ 8 поступает на первый (информационный) вход синхронного детектора 85 и на вход первого ограничителя амплитуды 84. На выходе последнего образуется напряжение

U₁₈(t)=υ_огрCos[ω_прt+φ_k1(t)+φ_пр12], 0≤t≤T₁,

где υ_огр - порог ограничения, которое представляет собой ФМн-сигнал на промежуточной частоте, используется в качестве опорного напряжения и поступает на второй (опорный) вход синхронного детектора 85. На выходе с последнего формируется низкочастотное напряжение

U_H1(t)=υ_H1[1+m(t)], 0≤t≤T₁,

где , которое поступает на вход аналогового дескремблера 86, принцип работы которого соответствует принципу работы аналогового скремблера 62, но имеет противоположный характер. На выходе аналогового скремблера 86 образуется исходное аналоговое сообщение, которое фиксируется и анализируется в блоке 93 регистрации и анализа.

Напряжение U₁₇(1) с выхода удвоителя 78 фазы выделяется узкополосным фильтром 87 и поступает на вход второго амплитудного ограничителя 88, на выходе которого образуется напряжение

U₁₉(t)=υ_огрCos[2ω_прt+2φ_пр12], 0≤t≤T₁,

которое поступает на вход делителя 89 фазы на два. На выходе последнего образуется напряжение

U₂₀(t)=υ₂₀Cos[ω_прt+φ_пр12], 0≤t≤T₁,

которое выделяется узкополосным фильтром 90, используется в качестве опорного напряжения и подается на второй (опорный) вход фазового детектора 91, на первый (информационный) вход которого поступает ФМн-сигнал U₁₈(t) с выхода амплитудного ограничителя 84. На выходе фазового детектора 91 формируется низкочастотное напряжение

U_H2(t)=υ_H2Cosφ_k1(t), 0≤t≤T₁,

где ,

которое поступает на вход цифрового дескремблера 92, принцип работы которого соответствует принципу работы цифрового скремблера 63, но имеет противоположный характер. На выходе цифрового дескремблера 92 образуется исходное цифровое сообщение формирователя 61, которое фиксируется и анализируется в блоке 93 регистрации и анализа.

По истечении времени τ₃ линии задержки 82 напряжение поступает на вход сброса порогового блока 81 и сбрасывает его содержимое на нулевой уровень. При этом включается блок 72 перестройки, а ключ 83 закрывается, т.е. они переводятся в свои исходные значения.

При обнаружении в заданном диапазоне частот Df следующего АМ-ФМн-сигнала работа наземного пункта 69 экологического контроля происходит аналогичным образом.

Таким образом, предлагаемые технические решения по сравнению с прототипом обеспечивают оперативную и конфиденциальную передачу полученной информации с борта вертолета на наземный пункт экологического контроля непосредственно или через геостационарный ИС3-ретранслятор. Это достигается защитой передаваемой информации от несанкционированного доступа и использованием сложных сигналов с комбинированной амплитудной модуляцией и фазовой манипуляцией (АМ-ФМн), причем защита указанной информации имеет три уровня: криптографический, энергетический и структурный.

Криптографический уровень обеспечивается специальными методами шифрования, кодирования и преобразования конфиденциальных аналоговых и дискретных сообщений, в результате которых их содержание становится недоступным без предъявления ключа криптограммы и обратного преобразования.

Энергетический и структурный уровни обеспечиваются применением сложных АМ-ФМн-сигналов, которые обладают высокой энергетической и структурной скрытностью.

Тем самым функциональные возможности способа расширены.