RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) TŁUMACZENIE PATENTU EUROPEJSKIEGO (19) PL (11) PL/EP 2165223 (96) Data i numer zgłoszenia patentu europejskiego: 11.06.2008 08763288.1 (13) (51) T3 Int.Cl. G01W 1/16 (2006.01) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (97) O udzieleniu patentu europejskiego ogłoszono: 21.11.2012 Europejski Biuletyn Patentowy 2012/47 EP 2165223 B1 (54) Tytuł wynalazku: Sposób i urządzenie do monitorowania aktywności burzowej na powierzchni Ziemi w czasie rzeczywistym (30) Pierwszeństwo: 11.06.2007 PL 38262407 30.05.2008 PL 38532008 (43) Zgłoszenie ogłoszono: 24.03.2010 w Europejskim Biuletynie Patentowym nr 2010/12 (45) O złożeniu tłumaczenia patentu ogłoszono: 30.04.2013 Wiadomości Urzędu Patentowego 2013/04 (73) Uprawniony z patentu: Uniwersytet Jagielloński, Kraków, PL (72) Twórca(y) wynalazku: PL/EP 2165223 T3 ANDRZEJ KUŁAK, Kraków, PL ADAM MICHALEC, Niepołomice, PL ZENON NIECKARZ, Morawica, PL JERZY KUBISZ, Kraków, PL STANISŁAW MICEK, Kraków, PL MICHAŁ OSTROWSKI, Olkusz, PL STANISŁAW ZIĘBA, Kraków, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Adam Pawłowski EUPATENT.PL ul. Żeligowskiego 3/5 90-752 Łódź Uwaga: W ciągu dziewięciu miesięcy od publikacji informacji o udzieleniu patentu europejskiego, każda osoba może wnieść do Europejskiego Urzędu Patentowego sprzeciw dotyczący udzielonego patentu europejskiego. Sprzeciw wnosi się w formie uzasadnionego na piśmie oświadczenia. Uważa się go za wniesiony dopiero z chwilą wniesienia opłaty za sprzeciw (Art. 99 (1) Konwencji o udzielaniu patentów europejskich).
Sposób i urządzenie do monitorowania aktywności burzowej na powierzchni Ziemi w czasie rzeczywistym Opis DZIEDZINA TECHNIKI [0001] Przedmiotem wynalazku jest sposób i urządzenie do monitorowania aktywności burzowej na powierzchni Ziemi w czasie rzeczywistym, służące do zdalnych pomiarów aktywności centrów burzowych i ich lokalizacji na powierzchni Ziemi. Monitorowanie aktywności burzowej ma znaczenie ze względu na bezpieczeństwo komunikacji lotniczej i morskiej, odgrywa także dużą rolę w prognozowaniu pogody. STAN TECHNIKI [0002] Znanych jest obecnie kilka metod rejestracji wyładowań atmosferycznych, powstających w chmurach burzowych, pomiędzy chmurami i/lub pomiędzy chmurą a ziemią. [0003] Pierwsza z metod monitorowania aktywności burzowej opiera się na optycznych obserwacjach satelitarnych błyskawic powstających w chmurach burzowych, pomiędzy chmurami i/lub pomiędzy chmurami a ziemią. Dostarcza ona szczegółowych informacji z obszaru, który jest obserwowany w danym momencie przez instrumenty umieszczone na satelicie. Obserwowana w danej chwili czasu powierzchnia wynosi około 10 5 km 2, co stanowi niewielki ułamek powierzchni całej Ziemi. System obserwacji orbitalnych nawet przy bardzo rozbudowanej sieci satelitów nie rokuje nadziei na ciągły globalny monitoring aktywności burzowej. [0004] Druga metoda śledzenia burz polega na detekcji sygnałów elektromagnetycznych generowanych przez wyładowania atmosferyczne w zakresach radiowych VLF, HF i VHF. Metoda ta pozwala na ocenę intensywności wyładowań oraz ich położenie. Wadą metody jest zasięg 1
sygnałów, które na tych zakresach częstotliwości są odbierane w odległościach do kilkuset kilometrów w zakresie HF i kilku tysięcy kilometrów w zakresie VLF. Pokrycie stacjami obserwacyjnymi dużych obszarów wymaga gęstego rozmieszczania stacji śledzących. Istniejący, najbardziej obecnie rozbudowany system monitoringu oparty jest na analizie sygnałów rejestrowanych jednocześnie w zakresie VLF i HF. Obejmuje on jedynie kraje wysoko rozwinięte, pokrywając niewielki procent powierzchni Ziemi. [0005] Trzecia z metod oparta jest na śledzeniu sygnałów wyłącznie w zakresie VLF. Zasięg pojedynczej stacji dochodzi do tysiąca kilometrów. System światowy opiera się obecnie na 27 stacjach pomiarowych. [0006] Propagacja sygnałów pola elektromagnetycznego o ekstremalnie niskiej częstotliwości (ang. Extreme Low Frequency) znana jest z opublikowanych wyników badań przeprowadzonych przez naukowców Uniwersytetu Jagiellońskiego, Kraków, Polska, które zostały przedstawione w publikacji pod tytułem Studies of ELF propagation in the spherical shell cavity using a field decomposition method based on asymmetry of Schumann resonance curves", Journal of Geophysical Research, Vol. 111, A10304, doi:10.1029/2005ja011429, 2006. Zgodnie z tezami przedstawionymi w tej publikacji, asymetria krzywej i zmienność częstotliwości pików rezonansowych w obserwowanym widmie ELF wynika z nakładania się pola fali stojącej, które wytwarza mody rezonansowe, z polem fali bieżącej wywołanej przez źródło, a zagadnieniem do rozwiązania pozostało to, czy jest możliwe rozdzielenie komponentów obu pól jak również ich niezależny pomiar w rezonatorze. Zaproponowano nowe podejście do powyższego zagadnienia polegające na pomiarze asymetrii widma lub widma sygnału pozyskanego z obserwacji komponentów albo pola elektrycznego albo pola magnetycznego za pomocą pojedynczej anteny. W tym podejściu przyjęto, że widmo sygnału w dowolnym punkcie rezonatora składa się z części symetrycznej, która jest powiązana z polem komponentu rezonansu, i z części niesymetrycznej powiązanej z polem fali bieżącej. Widmo mocy komponentu pola α(θ, f) 2 zostało określone wzorem 2
[0007] Wzór ten umożliwia określenie przybliżonej odległości 9 od punktu rezonatora do pojedynczego źródła fali bieżącej. [0008] Przedstawione powyżej metody obserwacji wyładowań atmosferycznych, nawet po znacznej rozbudowie bazy obserwacyjnej, nie pozwalają na monitoring globalnej aktywności burzowej całego obszaru Ziemi. Również żadna z powyższych metody nie pozwala na uzyskanie 100% skuteczności detekcji wyładowań elektrycznych w atmosferze. Obecnie szacuje się, że ich skuteczność sięga od 60% do 80%, w zależności od zastosowanej metody, oraz zastosowanych algorytmów analizy sygnału. [0009] Publikacja A.P. Nickolaenko i I.G. Kudintseva A modified technique to locate the sourcesd of ELF transie nt events, Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics, Vol. 56, nr 11, strony 1493-1498, 1994, przedstawia sposób lokalizacji źródeł zdarzeń ELF poprzez zapis komponentów pola: pionowego elektrycznego i dwóch ortogonalnych magnetycznych, poprzez obliczenie transformaty FFT która podaje złożone widma i poprzez zapewnienie sposobu obliczeniowego, który umożliwia określenie odległości od zdarzenia wyładowania, jak również stopień tłumienia, który jest własnością rezonatora Ziemia-jonosfera. [0010] Publikacja A.V.Shvets ELF Tomography of the World Thunderstorm Activity, Telecommunications and Radio Engineering, 55(8), strony 43-51, 2001, przedstawia zastosowanie tomografii ELF do rekonstrukcji rozmieszczenia przestrzennego światowej aktywności burzowej. W tym celu zapewnia kilka geograficznie odrębnych miejsc pomiaru i w każdym miejscu stosuje analizę widmową pola rezonansowego Schumanna. Stosuje zależność położenia (to znaczy zasięgu aktywności burzowej w różnych miejscach) od zmierzonej intensywności, co umożliwia określenie położenia miejsca wyładowania. [0011] Publikacja A.V. Shvets A technique for re construction of global lighting distance profile from background Schumann resonance signal, Journal of 3
Atmospoheric and Solar-Terrestrial Physics, 63 (2001), strony 1061-1074, 2001, przedstawia określanie położenia wyładowania za pomocą modelu obliczeniowego opartego o analizę widmową asymetrycznego pola rezonansowego Schumanna. [0012] Publikacje Y.Ando, M.Hayakawa i A.V.Shverts Finite difference analyses of Schumann resonance and re construction of lighting distribution, Radio Science, vol. 40, RS2002, strony 1-14, 2005, oraz Y.Ando I M. Hayakawa 2-D Finite Difference Analyses of Schumann Resonance and Identification of Lightning Distribution, IEEJ Trans. FM, vol. 124, nr 12, strony 1225-1231, 2004, przedstawiają również zastosowanie podobnych algorytmów obliczeniowych opartych o pole rezonansowe Schumanna w dziedzinie częstotliwości w celu określenia położenia miejsca wyładowania. CEL WYNALAZKU [0013] Celem wynalazku jest zapewnić sposób i urządzenie do globalnego monitorowania aktywności burzowej na całej powierzchni Ziemi. UJAWNIENIE WYNALAZKU [0014] Sposób monitorowania aktywności burzowej według niniejszego wynalazku, jak określono w zastrzeżeniu 1, jest oparty o analizę sygnałów elektromagnetycznych wzbudzanych przez wyładowania atmosferyczne w atmosferze w komórkach burzowych, podobnie do sposobów opisanych powyżej. Ideą wynalazku jest to, że sygnały pola elektromagnetycznego o ekstremalnie niskiej częstotliwości (ang. Extreme Low Frequency, ELF) wzbudzane w rezonatorze Ziemia-jonosfera rejestruje się, poddaje się je analizie widmowej opartej na modelach propagacji rezonansowej pola ELF w rezonatorze Ziemia-jonosfera. Następnie, wyodrębnia się cechy zależne od odległości pomiędzy położeniem wyładowań elektrycznych a antenami, to znaczy odległości źródeł, oraz intensywności oraz porównuje się je z parametrami bazy danych modelowych. Zestaw parametrów wybrany jako 4
najbliższe określa położenie i intensywność źródeł. Analizę można prowadzić w czasie rzeczywistym, a jej wyniki mogą być przedstawione w postaci map aktywności burzowej. [0015] Dzięki szczególnym właściwościom propagacji rezonansowej fal w zakresie ELF już pojedyncze urządzenie rejestruje sygnały pochodzące od wszystkich wyładowań atmosferycznych na Ziemi a rejestrowane sygnały pozwalają na jednoznaczne konstruowanie map aktywności burzowej do odległości rzędu 10 000 km. Zastosowanie kilku urządzeń rozmieszczonych na różnych kontynentach pozwala na jednoznaczne obrazowanie aktywności burzowej we współrzędnych geograficznych w skali globalnej. [0016] Korzystnym jest, gdy sygnały pola elektrycznego ELF rejestruje się w strefie Ziemi pozbawionej lokalnych źródeł pól elektrycznych, przez dwie poziome i prostopadle do siebie anteny magnetyczne, umieszczone na powierzchni lub na niewielkiej głębokości pod powierzchnią gruntu według kierunków NS i EW. Sygnały po wzmocnieniu, przefiltrowaniu i przetworzeniu z częstotliwością próbkowania przykładowo 180 Hz na cyfrowe sygnały obserwacyjne transmituje się droga radiową do elektronicznej jednostki przetwarzania danych, w której poddawane są analizie widmowej. Do wytworzonych widm mocy sygnałów dopasowywane są krzywe rezonansowe dające parametryzację tych widm. Następnie parametry te porównywane są z parametrami bazowymi przechowywanymi w bazie danych modelowych, która utworzona jest na podstawie znajomości modelu propagacji fal ELF w rezonatorze Ziemia-jonosfera, we wnęce lub w falowodzie. Przy zastosowaniu procedury minimalizacji odchylenia parametrów obserwacyjnych od parametrów bazowych dokonywany jest wybór zespołu parametrów bazowych o wartościach najbardziej zbliżonych. Zespół parametrów bazowych, który odtwarza położenie i intensywność źródeł burzowych wyładowań elektrycznych. Na podstawie zespołu parametrów bazowych można przygotować mapę źródeł. [0017] W celu wykonania parametryzacji, dla każdego z widm mocy S x, S y dopasowuje się krzywe rezonansowe opisane wzorem: 5
w którym: S(ω) - dopasowane widmo mocy. a - parametr opisujący szumy kolorowe tła. b - parametr opisujący szumy szerokopasmowe tła α - indeks widmowy szumów kolorowych; ω - częstość (pulsacja); P k - maksymalna wartość mocy k- tego piku rezonansowego; e k - parametr asymetrii k- tego piku rezonansowego; ω k - częstość rezonansowa k- tego piku rezonansowego, równa 2πf k ; Γ k - półszerokość k-tego piku rezonansowego. [0018] Inną ideą wynalazku jest urządzenie według zastrzeżenia 6 do monitorowania aktywności burzowej na powierzchni Ziemi w czasie rzeczywistym, wyposażone w dwie, indukcyjne aktywne anteny magnetyczne, prostopadłe do siebie według kierunków NS i EW oraz umieszczone na powierzchni gruntu lub na niewielkiej głębokości poniżej gruntu. Anteny połączone są ekranowanymi przewodami z blokiem rejestracji sygnałów obserwacyjnych. Blok zawiera dwa identyczne tory sygnałowe z wzmacniaczami, filtrami, przetwornikami analogowo-cyfrowymi i układem sterującym. Zegar układu sterującego zsynchronizowany jest przez odbiornik systemu z czasem GPS. Jednostka elektronicznego przetwarzania danych oprogramowana jest według algorytmu analizy widmowej sygnałów ELF oraz algorytmu wyznaczania cech zależnych od odległości i aktywności źródeł wyładowań burzowych. [0019] Korzystnie, blok zapisujący sygnały obserwacyjne jest połączony z anteną nadawczą nadającą dane przetworzone w przetworniku analogowocyfrowym, przy czym jednostka obliczeniowa jest przyłączona do anteny odbiorczej komunikującej się z anteną nadawczą połączoną z blokiem zapisującym sygnały obserwacyjne. KRÓTKI OPIS RYSUNKÓW 6
[0020] Wynalazek zostanie przedstawiony za pomocą przykładu i w nawiązaniu do załączonych rysunków, na których: Fig. 1 przedstawia Ziemię i centrum burzowe wywołujące fale elektromagnetyczne ELF; Fig. 2 przedstawia schemat blokowy sposobu monitorowania aktywności burzowej; Fig. 3A przedstawia anteny odbiorcze w polu elektromagnetycznym ELF; Fig. 3B i 3C przedstawiają urządzenie do monitorowania aktywności burzowej na powierzchni Ziemi w czasie rzeczywistym; Fig. 4 przedstawia trzy wybrane piki rezonansowe związane z pierwszymi trzema kolejnymi maksimami propagacji. NAJLEPSZE WYKONANIE WYNALAZKU [0021] Przedstawione na rysunkach przykłady wykonania mają jedynie cel ilustracyjny i nie ograniczają zakresu wynalazku, który zakreślają załączone zastrzeżenia. [0022] Urządzenie do monitorowania aktywności burzowej na powierzchni Ziemi w czasie rzeczywistym, dla którego można przystosować rozwiązanie według wynalazku, zostanie przedstawione na przykładzie urządzenia do monitorowania aktywności burzowej służącego do zdalnych pomiarów aktywności centrów burzowych i ich lokalizacji na powierzchni Ziemi. Elementy lub podzespoły urządzenia spełniające te same funkcje są oznaczone na wszystkich figurach za pomocą takich samych oznaczeń liczbowych lub oznaczeń różniących się tylko pierwszą cyfrą przyporządkowaną do określonej figury. [0023] Fig. 1 przedstawia schematycznie Ziemię 100 z zaznaczonym centrum burzowym 101. Centrum burzowe wytwarza wzbudzane we wnęce 104, lub inaczej w rezonatorze Ziemia-jonosfera, sygnały pola elektromagnetycznego ELF w postaci fal elektromagnetycznych ELF 102, 103 rozchodzących się we 7
wszystkich kierunkach we wnęce 104 Ziemia-jonosfera. Na Fig. 1 pokazano jedno wyładowanie atmosferyczne 109, które generuje między innymi pierwszą falę elektromagnetyczną 102 rozchodzącą się przeciwnie do kierunku wskazówek zegara i drugą falę elektromagnetyczną 103 rozchodząca się zgodnie z ruchem wskazówek zegara we wnęce 104 utworzonej pomiędzy jonosferą 105 a gruntem 106. Fale te obiegają Ziemię wielokrotnie interferując ze sobą, a także docierają do anten odbiorczych 110, 120, ustawionych korzystnie prostopadle do siebie. W wyniku interferencji fal wytwarzanych przez centrum burzowe 101, fale o określonych częstotliwościach wygasają, wskutek czego powstaje szereg plików rezonansowych. [0024] Fig. 2 przedstawia schematycznie przebieg sposobu monitorowania aktywności burzowej na powierzchni Ziemi w czasie rzeczywistym. W pierwszym kroku 211, składowe H x, H y pola elektromagnetycznego, utworzone przez wyładowania burzowe, generują sygnały które są rejestrowane przez dwie anteny magnetyczne. W kroku 212, sygnały te poddaje się identycznym procesom analizy widmowej, w wyniku której tworzy się widma mocy S x i S y. Ze względu na rezonansowy charakter propagacji sygnału ELF we wnęce Ziemiajonosfera, widma te przyjmują postać szeregu pików rezonansowych, powiązanych z kolejnymi maksimami propagacji. W kroku 213, każde widmo mocy S x i S y jest dopasowywane do krzywych rezonansowych, opisanych określonym wzorem, który zostanie objaśniony szczegółowo w dalszej części. Wynikiem procedury dopasowywania jest parametryzacja widm. Każdemu z widm S x i S y zostaje przypisany zestaw parametrów obserwacyjnych p k, f k, γ k i e k. W kroku 214, zestawy parametrów dla każdego sygnału porównuje się z parametrami bazowymi p ok, f ok, γ ok i e ok, które są zapisane w bazie danych parametrów modelowych B. Celem systemu porównania jest wybranie zestawu parametrów bazowych p ok, f ok, γ ok i e ok, których wartości są tak blisko zestawu parametrów obserwacyjnych p k, f k, γ k i e k jak to możliwe. W tym celu stosuje się jedną z dostępnych procedur minimalizacji, w celu zminimalizowania odchylenia parametrów obserwacyjnych p k, f k, γ k i e k od parametrów bazowych p ok, f ok, γ ok i e ok. Bazę danych parametrów modelowych B tworzy się z wykorzystaniem wiedzy o modelu propagacji fal ELF we wnęce Ziemia-jonosfera w kroku 215, 8
po tym jak przykładowo uzyska się potwierdzenie zaobserwowanych wyładowań elektrycznych w atmosferze. Ponieważ dla każdej odległości pomiędzy obserwatorem, to znaczy antenami, a źródłem, to znaczy wyładowaniem elektrycznym, i dla każdej intensywności wyładowania występuje charakterystyczny zestaw parametrów bazowych, to przypisanie zestawu parametrów obserwacyjnych p k, f k, γ k i e k do zestawu parametrów bazowych p ok, f ok, γ ok i e ok umożliwia mapowanie położeń źródeł i ich intensywności. W kroku 216 przygotowuje się mapę źródeł. Zdolność rozdzielcza uzyskanej mapy jest ściśle uzależniona od ilości widmowych parametrów obserwacyjnych p k, f k, γ k i e k uzyskanych w kroku 213 przy dekompozycji sygnału oraz od poziomu lokalnego szumu towarzyszącego pomiarom. Parametry obserwacyjne p k, f k, γ k i e k są cechami zależnymi od odległości i intensywności wyładowań elektrycznych, które umożliwiają rekonstrukcję położenia i intensywności wyładowań elektrycznych i utworzenia bazy, na której można narysować mapę źródeł (M (x,y) ). Niejednoznaczności na mapie są silnie uzależnione od postaci podstawowych zestawów rozmieszczenia pola, to znaczy są one pochodną przyjętego modelu propagacji. [0025] Pole elektromagnetyczne ELF 301, przedstawione schematycznie na Fig. 3A, powstałe we wnęce ma składowe H x, H y, H z, z których składowe H x i H y są odbierane w strefie Ziemi pozbawionej lokalnych źródeł pól elektrycznych, przez dwie poziome kierunkowe anteny A x 321 i A y 322, najkorzystniej prostopadłe względem siebie. Anteny A x 321 i A y 322 zazwyczaj są indukcyjnymi aktywnymi antenami magnetycznymi, przykładowo o długości przykładowo 1 m i przekroju rdzenia 1 cm 2. Anteny A x 321 i A y 322 są ekranowane przed obcym polem elektrycznym, gdyby takie istniało, i są umieszczone na powierzchni lub na niewielkiej głębokości pod powierzchnią gruntu 106, zazwyczaj według kierunków NS i EW. W tych kierunkowych antenach odbiorczych A x 321 i A y 322 są wytwarzane sygnały U x 33J. i U y 332 pod wpływem pola elektromagnetycznego ELF. [0026] Przed poddaniem sygnałów U x 331 i U y 332 analizie widmowej opartej na modelach propagacji rezonansowej pola ELF w falowodzie Ziemia-jonosfera lub wnęce Ziemia-jonosfera lub w skrócie wnęce powietrznej i wyodrębnieniu 9
cech zależnych od odległości i intensywności źródeł, sygnały U x 331 i U y 332 generowane w kierunkowych magnetycznych antenach odbiorczych A x 321 i A y 322 są podawane do bloku rejestracji sygnałów obserwacyjnych na dwa identyczne tory obróbcze, korzystnie oddzielne, przedstawione na Fig. 3B i 3C, na wejście szerokopasmowych wzmacniaczy niskoszumnych G x 341 i G y 342 przewodami ekranowanymi, przykładowo o długości 100 m, skąd po wzmocnieniu są przepuszczane przez dolnoprzepustowe filtry antyaliansingowe BPF X 351 i BPF y 352 o paśmie przenoszenia, przykładowo w zakresie 1-60 Hz, a następnie przetwarzane z postaci analogowej na postać cyfrową, przykładowo w szesnastobitowych przetwornikach analogowo-cyfrowych A/C x 361 i A/C y 362 połączonych z układem sterującym up 365. Próbkowanie sygnału odbywa się synchronicznie w obu przetwornikach analogowocyfrowych A/C x 361 i A/C y 362 z częstotliwością, przykładowo 180 Hz. Urządzenie zawierające dwa opisane powyżej i poniżej bloki jest wyposażone w odbiornik systemu GPS 364, dzięki któremu zegar układu sterującego up jest zsynchronizowany z czasem GPS. Sygnały U x 331 i U y 332 w postaci cyfrowej są następnie kodowane i kierowane do radiowego układu nadawczego małej mocy T 366 z anteną 367 wysyłającej dane przetworzone w przetworniku analogowo-cyfrowym lub do linii światłowodowej. Możliwe jest również rozwiązanie, w którym sygnały U x 331 i U y 332 w postaci cyfrowej byłyby przekazywane do dalszej analizy do jednostki obliczeniowej, przykładowo komputera PC za pomocą linii komunikacyjnych. Jednak przy takim rozwiązaniu istniałoby niebezpieczeństwo wprowadzania zakłóceń do torów pomiarowych. W korzystnym rozwiązaniu, przedstawionym na Fig. 3B, wszystkie dotychczas opisane bloki aparatury są usytuowane z dala od przewodów sieci energetycznej i są zasilane z autonomicznego źródła zasilania, a przesyłanie sygnałów do jednostki obliczeniowej, przykładowo komputera PC, odbywa się na drodze radiowej lub świetlnej. [0027] W przedstawionym przykładzie wykonania, sygnały U x 331 i U y 332 w postaci cyfrowej są odbierane w oddalonym od anten o kilka kilometrów, przykładowo 3-10 km, radiowym układzie odbiorczym R 376 wyposażonym w antenę 377, dekodowane i wprowadzane do jednostki obliczeniowej 375, 10
przykładowo komputera PC zasilanego z sieci energetycznej. Jednostka obliczeniowa 375 będąca jednostką elektronicznego przetwarzania danych oprogramowana jest według algorytmu analizy widmowej sygnałów ELF oraz algorytmu wyznaczania cech zależnych od odległości i aktywności źródeł wyładowań burzowych. W jednostce obliczeniowej 375 sygnały U x 331 i U y 332 w postaci cyfrowej są poddawane identycznym procesom analizy widmowej z wytworzeniem widm mocy S x, S y sygnałów U x 331 i U y 332 i z dopasowaniem do nich krzywych rezonansowych za pomocą transformaty Fouriera w blokach DFT X 371 i DFT y 372. Ze względu na rezonansowy charakter propagacji sygnałów ELF we wnęce Ziemia-jonosfera, widma mają postać szeregu pików rezonansowych 411, 412, 413, związanych z kolejnymi maksimami propagacji, jak przedstawiono w tabeli 1 i graficznie na Fig. 4. Tabela 1 Numer Częśtotliwość Moc modu p Ekscentryczność Szerokość modu k modu f modu e modu Γ 1 f 1 P 1 e 1 γ 1 2 3 4 f 2 f 3 f 4 P 2 P 3 P 4 e 2 e 3 e 4 γ 2 γ 3 γ 4 a b α [0028] Na następnym etapie w blokach dopasowania D x 381 i D y 382, do każdego z widm mocy S x i S y dopasowywane są krzywe rezonansowe opisane wzorem w którym: 11
S(ω) - dopasowane widmo mocy. b - parametr opisujący szumy kolorowe tła. a - parametr opisujący szumy szerokopasmowe tła α - indeks widmowy szumów kolorowych; ω - częstość (pulsacja); P k - maksymalna wartość mocy k- tego piku rezonansowego; e k - parametr asymetrii k- tego piku rezonansowego; ω k - częstość rezonansowa k- tego piku rezonansowego, równa 2πf k ; Γ k - półszerokość k-tego piku rezonansowego. [0029] Powyższy wzór przyjęto na podstawie publikacji pod tytułem Studies of ELF propagation in the spherical shell cavity using a field decomposition method based on asymmetry of Schumann resonance curves", Journal of Geophysical Research, Vol. 111, A10304, doi: 10.1029/2005JA011429, 2006, uzupełniając go o parametr opisujący szumy kolorowe tła, parametr opisujący szumy szerokopasmowe tła i indeks widmowy szumu kolorowego. Dodanie parametru a opisującego szumy kolorowe tła, parametru b opisującego szumy szerokopasmowe tła i indeksu α widmowego szumu kolorowego, było wskazane, gdyż, jak zaobserwowano, poprawiało to jakość dopasowania krzywych do obserwowanego widma i zwiększało dokładność wyznaczenia parametrów widma, które były potrzebne do tworzenia mapy. Należy zaznaczyć, że parametry a i b oraz indeks α są wyznaczane, ale nie wykorzystywane przy tworzeniu map. [0030] W wyniku zastosowania procedury dopasowania następuje parametryzacja widm, którą przeprowadza się w blokach parametryzacji Param x 391 i Param y 392. Każdemu widmu S x i S y zostają przypisane cztery parametry bieżące p k, f k, γ k i e k dla każdego modu k, dla którego przeprowadza się parametryzację. Na kolejnym etapie te zestawy czterech parametrów bieżących p k, f k, γ k i e k każdego z sygnałów U x i U y są porównywane w układzie porównującym 396 z zestawami parametrów bazowych p ok, f ok, γ ok i e ok, przechowywanych w bazie danych modelowych B 390, utworzonej na podstawie znajomości modelu propagacji fal ELF we wnęce Ziemia-jonosfera. 12
Zadaniem układu porównującego 396 jest wybór zestawu parametrów bazowych p ok, f ok, γ ok i e ok o wartościach najbardziej zbliżonych do zestawu parametrów obserwacyjnych p k, f k, γ k i e k. W tym celu stosowana jest jedna z procedur minimalizacji odchylenia parametrów p k, f k, γ k i e k od p ok, f ok, γ ok i e ok. Baza parametrów B 390 jest utworzona na podstawie znajomości modelu propagacji fal ELF we wnęce Ziemia-jonosfera w oparciu o wieloletnie obserwacje. Ponieważ dla każdej odległości pomiędzy obserwatorem a źródłem i każdej intensywności wyładowań istnieje charakterystyczny zespół parametrów, stąd przyporządkowanie zestawu parametrów obserwacyjnych p k, f k, γ k i e k zestawowi parametrów bazowych p ok, f ok, γ ok i e ok umożliwia odtworzenia położeń i intensywności źródeł. Innymi słowy, zestaw parametrów obserwacyjnych p k, f k, γ k i e k porównuje się z zestawem parametrów bazowych p ok, f ok, γ ok i e ok, które są parametrami bazy danych modelowych. Zestaw parametrów bazowych p ok, f ok, γ ok i e ok, po wybraniu jako najbliższy zestawowi parametrów obserwacyjnych p k, f k, γ k i e k, odtwarza położenie i intensywność wyładowań elektrycznych lub źródeł wyładowań i/lub centrów burzowych. Jednostka elektronicznego przetwarzania danych, w preferowanym przykładzie wykonania, została oprogramowana według algorytmu analizy widmowej sygnałów ELF oraz algorytmu wyznaczania cech zależnych od odległości i aktywności źródeł wyładowań burzowych przy zastosowaniu transformaty Fouriera, co jest znane z wielu publikacji poświęconych analizie widmowej. [0031] Na następnym etapie opracowywana jest mapa M (x,y) źródeł, albo innymi słowy, mapa rozmieszczenia i intensywności centrów burzowych na powierzchni Ziemi w bloku tworzenia mapy M (x,y) źródeł 395. Zdolność rozdzielcza uzyskanej mapy jest ściśle zależna od ilości parametrów rozkładu widma pk uzyskanych na etapie dekompozycji sygnałów oraz poziomu szumów lokalnych towarzyszących pomiarowi. Niejednoznaczności mapy są zależne od postaci zespołów bazowych rozkładu pola, czyli są pochodną założonego modelu propagacji. [0032] Zestaw parametrów obserwacyjnych p k, f k, γ k i e k który został potwierdzony z innych źródeł i/lub innymi metodami do monitorowania aktywności burzowej na powierzchni Ziemi może zostać dołączony do bazy 13
danych modelowych B 390 i stanowić uzupełnienie zestawu parametrów bazowych p ok, f ok, γ ok i e ok dla kolejnych odtworzeń położenia i intensywności źródeł wyładowań lub centrów burzowych. [0033] W przypadku stosowania wielu urządzeń odbiorczych, co podwyższa w znacznym stopniu zdolność rozdzielczą mapy rozmieszczenia i intensywności centrów burzowych na powierzchni Ziemi, dane mogą być przesyłane łączem satelitarnym lub internetowym do centrum zbierania danych, gdzie wspólnie poddawane są analizie w jednostce obliczeniowej. [0034] Rozwiązanie według wynalazku zostało przedstawione na wybranych przykładach wykonania. Przykłady te nie ograniczają jednak wynalazku, którego zakres został określony w załączonych zastrzeżeniach. Oczywiste jest, że można wprowadzić modyfikacje bez zmiany istoty rozwiązania. Prezentowane przykłady wykonania nie wyczerpują w pełni możliwości zastosowania rozwiązania według wynalazku, określonego w załączonych zastrzeżeniach. 14
ZASTRZEŻENIA 1. Sposób monitorowania aktywności burzowej na powierzchni Ziemi w czasie rzeczywistym z analizą sygnałów elektromagnetycznych wzbudzanych przez wyładowania elektryczne w atmosferze w komórkach burzowych, w którym - rejestruje się (211) wzbudzane w rezonatorze Ziemia-jonosfera sygnały pola elektromagnetycznego o ekstremalnie małych częstotliwościach (ELF), - poddaje się zarejestrowane sygnały analizie widmowej (212) z generowaniem ich widm mocy (S x, S y ), znamienny tym, że sposób obejmuje ponadto następujące kroki: - dopasowanie widm mocy (S x, S y ) do krzywych rezonansowych w celu sparametryzowania widm mocy (213) za pomocą zestawu parametrów obserwacyjnych (p k, f k, γ k i e k ) na podstawie rezonansowych modelów propagacji pola ELF w rezonatorze Ziemia-jonosfera, - porównanie parametrów obserwacyjnych (p k, f k, γ k i e k ) zależnych od odległości i intensywności wyładowań elektrycznych z parametrami bazowymi (p ok, f ok, γ ok i e ok ) zawartymi w bazie danych parametrów modelowych (214), - przy czym parametry bazowe wybrane jako najlepsze przybliżenie dla parametrów obserwacyjnych (p k, f k, γ k i e k ) zależnie od odległości i intensywności wyładowań elektrycznych, są stosowane do opracowania mapy (M (x,y) ) położenia i intensywności wyładowań elektrycznych. 2. Sposób według zastrz. 1 lub 2, znamienny tym, że sygnały pola elektrycznego ELF wzbudzone przez wyładowania elektryczne są zapisywane w strefie Ziemi, która jest pozbawiona lokalnych źródeł pól elektrycznych, za pomocą dwóch indukcyjnych aktywnych anten magnetycznych (H x, H y ), położonych poziomo i korzystnie prostopadle względem siebie i umieszczonych na powierzchni ziemi lub tuż pod powierzchnią w kierunkach NS i EW, a następnie po tym jak sygnały te zostaną wzmocnione, przefiltrowane i 15
przetworzone z częstotliwością próbkowania 180 Hz na sygnały obserwacyjne (U x, U y ) w postaci cyfrowej, wysyła się je drogą radiową do elektronicznej jednostki przetwarzania danych jako sygnały pola elektromagnetycznego ELF. 3. Sposób według zastrz. 1, w którym baza danych parametrów modelowych jest tworzona przy wykorzystaniu modelu propagacji fal ELF we wnęce Ziemia-jonosfera. 4. Sposób według zastrz. 1, w którym parametry bazowe są wybrane jako najbliższe przybliżenie do parametrów obserwacyjnych (p k, f k, γ k i e k ) przy wykorzystaniu procedury minimalizacji odchylenia parametrów obserwacyjnych (p k, f k, γ k i e k ) od parametrów bazowych (p ok, f ok, γ ok i e ok ). 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że każde z widm mocy (S x, S y ) dopasowuje się do krzywych rezonansowych określonych wzorem: w którym: S(ω) - dopasowane widmo mocy. a - parametr opisujący szumy kolorowe tła. b - parametr opisujący szumy szerokopasmowe tła α - indeks widmowy szumów kolorowych; ω - częstość (pulsacja); P k - maksymalna wartość mocy k- tego piku rezonansowego; e k - parametr asymetrii k- tego piku rezonansowego; ω k - częstość rezonansowa k- tego piku rezonansowego, równa 2πf k ; Γ k - półszerokość k-tego piku rezonansowego. 6. Urządzenie do monitorowania aktywności burzowej na powierzchni Ziemi w czasie rzeczywistym, zawierające 16
- anteny, blok zapisujący sygnały obserwacyjne ELF, system transmisji radiowej i elektroniczną jednostkę przetwarzania danych, przy czym antenami są dwie indukcyjne aktywne anteny magnetyczne (H x, H y ), korzystnie umieszczone prostopadle względem siebie, korzystnie w kierunkach NS i EW, i umieszczone na powierzchni ziemi lub tuż pod powierzchnią, znamienny tym, że - anteny są połączone ekranowanymi przewodami z blokiem zapisującym sygnały obserwacyjne (H x, H y ), który zawiera dwie identyczne ścieżki sygnałowe ze wzmacniaczami (A x, A y ), filtrami (BPF x, BPF y ), konwerterami analogowo-cyfrowymi (A/C x, A/C y ) i systemem sterowania (up), którego zegar jest zsynchronizowany, przez odbiornik systemowy, z czasem GPS, - przy czym elektroniczna jednostka przetwarzania danych jest przystosowana do wykonywania - algorytmu do wykonania analizy widmowej sygnałów obserwacyjnych ELF w celu wygenerowania ich widm mocy (S x, S y ) (212), - algorytmu do dopasowania wydm mocy (S x, S y ) do krzywych rezonansowych w celu sparametryzowania widm mocy (213) za pomocą zestawu parametrów obserwacyjnych (p k, f k, γ k i e k ) na podstawie rezonansowych modelów propagacji pola ELF w rezonatorze Ziemia-jonosfera, - algorytmu do porównania parametrów obserwacyjnych (p k, f k, γ k i e k ) zależnych od odległości i intensywności wyładowań elektrycznych z parametrami bazowymi (p ok, f ok, γ ok i e ok ) zapisanymi w bazie danych parametrów modelowych (214), przy czym parametry bazowe wybrane jako najbliższe przybliżenie dla parametrów obserwacyjnych (p k, f k, γ k i e k ) zależnych od odległości i intensywności wyładowań elektrycznych są stosowane do opracowania mapy (M (x,y) ) położenia i intensywności wyładowań elektrycznych (216). 7. Urządzenie według zastrz. 6, znamienne tym, że blok rejestrujący sygnały obserwacyjne jest połączony z anteną nadawczą przesyłającą dane 17
przetworzone w konwerterze analogowo-cyfrowym, a jednostka obliczeniowa jest połączona z anteną odbiorczą komunikującą się z anteną nadawczą połączoną z blokiem rejestrującym sygnały obserwacyjne. 18
19
Rejestracja sygnałów przez anteny magnetyczne Analiza widmowa sygnału Dopasowanie widma mocy do krzywych rezonansowych Tworzenie bazy parametrów Opracowanie mapy źródeł Porównanie parametrów dla każdego sygnału z parametrami bazowymi 20
21
22
Jednostka obliczeniowa Blok komparatora Baza danych modelowych Opracowanie mapy źródeł 23