DE102004000025B4 - System and method for detecting, transmitting and evaluating electromagnetic radiation data and information - Google Patents
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Abstract
Verwendung einer Messstation (20) mit einem Antennenkörper (30), der für die Messung niederfrequenter magnetischer Felder ausgelegt ist, für ein Blitzortungsnetzwerk (100) mit mehreren räumlich getrennten Messstationen (20 bzw. 20*) als Pseudo-3D-Netz zur Identifizierung von Entladungen, die in Gewitterwolken aus großer Höhe emittiert werden, wobei: – der Antennenkörper (30) eine mechanisch selbsttragende Form mit wenigstens zwei einfachen, gekreuzt angeordneten kreisförmigen Spulen ohne bewegliche und/oder witterungssensitive Komponenten, die zum Aufstellen im Freien ausgelegt ist, aufweist, – wobei mittels der zwei Spulen die magnetische Induktion (B(t)) aus den x- und y-Komponenten (Bx(t), By(t)) des Blitzfeldes erfasst wird, – wobei der Primärkreis des Antennenkörpers (30) vom Sekundärkreis des Antennenkörpers (30) galvanisch getrennt ist, und – wobei die magnetische Induktion (B(t)) direkt als Funktion der Zeit gemessen wird, wobei die Messstation (20) mindestens eine Zeitmesseinrichtung (38) zum Ermitteln des jeweiligen zeitlichen Verlaufs von elektromagnetischer Strahlung der niederfrequenten magnetischen Felder von erfassten Signalen (S bzw. S*) aufweist, wobei die elektromagnetische Strahlung aus mindestens einer Impulsquelle natürlichen Ursprungs, nämlich aus mindestens einer atmosphärischen Entladung (P), stammt und wobei die Höhe (H) der Impulsquelle, nämlich die Emissionshöhe, und die Direktionalität (C), nämlich der räumliche Richtungsverlauf, der durch die Impulsquelle bewirkten Impulsabgabe oder Impulsaussendung lokalisiert wird, indem die Abweichung der Ankunftszeit des Signals (S) an der der Impulsquelle nächstgelegenen Messstation von der Ankunftszeit des Signals an ...Use of a measuring station (20) with an antenna body (30), which is designed for the measurement of low-frequency magnetic fields, for a lightning location network (100) with a plurality of spatially separated measuring stations (20 or 20 *) as a pseudo-3D network for the identification of Discharges emitted in high altitude storm clouds, wherein: - the antenna body (30) has a mechanically self-supporting shape with at least two simple, circularly arranged circular coils without moving and / or weather-sensitive components designed for outdoor installation; - Wherein the magnetic induction (B (t)) from the x and y components (Bx (t), By (t)) of the flash field is detected by means of the two coils, - wherein the primary circuit of the antenna body (30) from the secondary circuit the antenna body (30) is galvanically isolated, and - wherein the magnetic induction (B (t)) is measured directly as a function of time, the measuring station (20) having at least ns a time measuring device (38) for determining the respective time course of electromagnetic radiation of the low-frequency magnetic fields of detected signals (S or S *), wherein the electromagnetic radiation from at least one pulse source of natural origin, namely from at least one atmospheric discharge (P ) and where the height (H) of the pulse source, namely the emission height, and the directionality (C), namely the spatial directional course, of the pulse output or pulse emission effected by the pulse source is located by taking the deviation of the arrival time of the signal (S) at the measuring station closest to the pulse source, from the arrival time of the signal to ...
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verwendung einer Messstation mit einem Antennenkörper, der für die Messung niederfrequenter magnetischer Felder ausgelegt ist, für ein Blitzortungsnetzwerk mit mehreren räumlich getrennten Messstationen als Pseudo-3D-Netz zur Identifizierung von Entladungen, die in Gewitterwolken aus großer Höhe emittiert werden. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Verwendung eines Antennenkörpers für die vorstehend beschriebene Messstation.The present invention relates to a use of a measuring station with an antenna body, which is designed for the measurement of low-frequency magnetic fields, for a lightning location network with a plurality of spatially separated measuring stations as a pseudo-3D network for identifying discharges that are emitted in storm clouds from high altitude. Furthermore, the present invention relates to a use of an antenna body for the measuring station described above.
Seit über zehn Jahren befinden sich Blitzoriungssysteme weltweit im Einsatz und erlauben die Lokalisierung von Bodenblitzen mit zunehmender örtlicher Genauigkeit, die bei modernen Netzen im Bereich von unter einem Kilometer liegt. Die Nachweiseffizienz wird für Blitze mit einer Stärke von mehr als fünf Kiloampere mit meist über neunzig Prozent angegeben, bei schwächeren Blitzen sind allerdings keine statistisch verlässlichen Daten bekannt.Lightning tracking systems have been in use around the world for more than ten years, allowing localization of ground flares with increasing local accuracy, which is less than one kilometer on modern networks. Detection efficiency is reported for lightning greater than five kiloamps, usually over ninety percent, but weaker lightning has no statistically reliable data.
Traditionell sind die operationellen Netze so konzipiert, dass vorwiegend Bodenblitze (= CG oder Cloud-Ground) gemeldet und Wolke-Wolke-Blitze (= I[ntra]C[loud] innerhalb einer Gewitterwolke oder C[loud-]C[loud] zwischen Gewitterwolken) möglichst unterdrückt werden. Neuerdings verstärkt sich allerdings der Trend, auch Entladungen in den Wolken zu Zwecken meteorologischer Nutzung mit zu erfassen.Traditionally, the operational networks are designed to report predominantly ground flashes (= CG or cloud-ground) and cloud-cloud flashes (= I [ntra] C [loud] within a storm cloud or C [loud-] C [loud] between Thunderclouds) are suppressed as much as possible. Recently, however, the trend is increasing to also detect discharges in the clouds for purposes of meteorological use.
Stand der TechnikState of the art
Eine Unterscheidung von CG-Blitzen und IC-/CC-Blitzen ist mit speziellen Methoden, insbesondere mit dreidimensionalen Verfahren (sogenannte 3D-Verfahren), möglich, wobei auch Messungen im V[ery]H[igh]F[requenzy]-Bereich und im V[ery]L[ow]F[requency]-Bereich miteinander kombiniert werden können [vgl. Kawasaki, Z.-1. et al. (1994), SAFIR operation and evaluation of its performance, Geophys. Res. Lett. 21 (12), Seiten 1133 bis 1166; Thery, C. (2001), Evaluation of LPATS data using VHF interferometric observations of lightning flashes during the EULINOX experiment, Atmospheric research 56, Seiten 397 bis 409].A distinction of CG flashes and IC / CC flashes is possible with special methods, in particular with three-dimensional methods (so-called 3D methods), whereby measurements in the V [ery] H [igh] F [requenzy] range and can be combined in the V [ery] L [ow] F [requency] range [cf. Kawasaki, Z.-1. et al. (1994), SAFIR operation and evaluation of its performance, Geophys. Res. Lett. 21 (12), pages 1133 to 1166; Thery, C. (2001), Evaluation of LPATS data using VHF interferometric observations of lightning flashes during the EULINOX experiment, Atmospheric research 56, pages 397 to 409].
Im Aufsatz von Jacobson et al. (2000), ”FORTE radio-frequency observations of lightning strokes detected by the National Lightning Detection Network”, J. Geophys. Res. 105, Seiten 15653 bis 15662, wird beispielsweise ein dreidimensionales Verfahren beschrieben, bei dem eine dreidimensionale Peilung zunächst mit VHF-Radiofrequenzen erfolgt und daraufhin über zeitliche Koinzidenz das zugehörige VLF-Signal aus einem vorhandenen zweidimensionalen VLF-Netz (sogenanntes NLDN) gesucht wird.In the article by Jacobson et al. (2000), "FORTE radio-frequency observations of lightning strokes detected by the National Lightning Detection Network", J. Geophys. Res. 105, pages 15653 to 15662, a three-dimensional method is described, for example, in which a three-dimensional bearing initially takes place with VHF radio frequencies and then temporal coincidence, the associated VLF signal from an existing two-dimensional VLF network (so-called NLDN) is searched ,
Weiterhin beschreiben Smith et al. (1999) im Aufsatz ”A distinct class of isolated intracloud lightning discharges and their associated radio emissions, J. Geophys. Res. 104, Seiten 4189 bis 4212, ein dreidimensionales Verfahren, das jedoch eine reine VHF-Peilung ohne jeden VLF-Bezug vorsieht.Furthermore, Smith et al. (1999) in the article "A distinct class of isolated intracloud lightning discharges and their associated radio emission, J. Geophys. Res. 104, pages 4189 to 4212, a three-dimensional method, but providing a pure VHF bearing without any VLF reference.
Ein dreidimensionales Verfahren mit guter Auflösung von Entladungskanälen beschreiben Krehbiel et al. (1999) in der Veröffentlichung ”Three-dimensional lightning mapping observations during MEAPRS in central Oklahoma, 11th Int. Conf. on Atmosph. Electricity, NASNCP, Alabama, Juni 1999, Seiten 376 bis 379. Dieses Verfahren weist jedoch wiederum keinen VLF-Bezug auf und beruht rein auf VHF-Peilung in den Wolken.A three-dimensional process with good resolution of discharge channels is described by Krehbiel et al. (1999) in the publication "Three-dimensional lightning mapping observations during MEAPRS in Central Oklahoma, 11th Int. Conf. on atmosphere. Electricity, NASNCP, Alabama, June 1999, pages 376 to 379. This method, however, again has no VLF reference and relies purely on VHF bearing in the clouds.
Bereits sehr frühzeitig wird in dem Dokument von Taylor (1978), A VHF technique for space-time mapping of lightning discharge processes, J. Geophys. Res. 83, Seiten 3575 bis 3583, die Möglichkeit direkter räumlicher Anpeilung von hohen Emissionsorten mittels Laufzeitmessungen aufgezeigt.Already very early in the document by Taylor (1978), A VHF technique for space-time mapping of lightning discharge processes, J. Geophys. Res. 83, pages 3575 to 3583, the possibility of direct spatial targeting of high emission sites by means of transit time measurements shown.
Bei diesem bekannten Verfahren werden mittels zweier eng benachbarter Stationen, die jeweils auch zwei Sensoren in vertikaler Anordnung benötigen (unter anderem bodennah und in einer Höhe von etwa fünfzehn Metern) Laufzeitunterschiede im Nanosekunden-Bereich gemessen und hiermit die Elevationswinkel ermittelt, deren Schnittpunkt mittels Triangulation die Emissionsorte gibt.In this known method by means of two closely adjacent stations, each requiring two sensors in a vertical arrangement (among other ground level and at a height of about fifteen meters) transit time differences measured in the nanosecond range and hereby determines the elevation angle whose intersection by triangulation the Emission locations.
Weitere dreidimensionale Verfahren werden in folgenden Dokumenten beschrieben:
- – Richard and Auffray (1985), VHF-UHF interferometric measurements, applications to lightning discharge mapping, Radio Science 20, Seiten 171 bis 192;
- – Rhodes et al. (1994), ”Observations of lightning phenomena using radio interferometry”, J. Geophys. Res. 99, Seiten 13059 bis 13082;
- – Laroche et al. (1996), ”3D structure of lightning discharge within storms”, 10th Int. Conf. Atmosph. Electricity, Osaka, 10. Juni 1996 bis 14. Juni 1996, Seiten 330 bis 332;
- – Onuki et al. (1996), Imaging of lightning channel in three dimensions using interferometer, 10th Int. Conf. Atmosph. Electricity, Osaka, 10. Juni 1996 bis 14. Juni 1996, Seiten 325 bis 332; und
- – Richard and Lojou (1996), ”Assessment of application of storm cell electrical activity monitoring to intense precipitation forecast, 10th Int. Conf. Atmosph. Electricity, Osaka, 10. Juni 1996 bis 14. Juni 1996, Seiten 284 bis 287.
- Richard and Auffray (1985), VHF-UHF interferometric measurements, applications to lightning discharge mapping, Radio Science 20, pages 171-192;
- Rhodes et al. (1994), "Observations of lightning phenomena using radio interferometry", J. Geophys. Res. 99, pages 13059 to 13082;
- - Laroche et al. (1996), "3D structure of lightning discharge within storms", 10th Int. Conf. Atmosphere. Electricity, Osaka, June 10, 1996 to June 14, 1996, pages 330 to 332;
- - Onuki et al. (1996), Imaging of lightning channel in three dimensions using interferometer, 10th Int. Conf. Atmosphere. Electricity, Osaka, June 10, 1996 to June 14, 1996, pages 325 to 332; and
- - Richard and Lojou (1996), "Assessment of application of storm cell electrical activity monitoring to intense precipitation forecast, 10th Int. Conf. Atmosphere. Electricity, Osaka, June 10, 1996 to June 14, 1996, pages 284 to 287.
Die weltweit über großen Flächen eingesetzten Ortungsverfahren basieren jedoch auf weniger aufwändigen zweidimensionalen Systemen (sogenannte 2D-Systeme), bei denen sich die CG-Blitz- versus IC-/-CC-Blitz-Unterscheidung schwieriger gestaltet. Einige Hersteller berichten zwar von impulsformabhängigen zuverlässigen Unterscheidungsverfahren, insgesamt ist die Literatur zu dieser Problematikjedoch äußerst widersprüchlich.However, global positioning techniques use less sophisticated two-dimensional systems (called 2D systems) that make CG lightning versus IC / CC lightning differentiation more difficult. Although some manufacturers report impulse-form-dependent reliable differentiation procedures, overall the literature on this problem is extremely contradictory.
Darüber hinaus zeigt die Druckschrift
Aus der Druckschrift
Zudem beschreiben CUMMINS, Kenneth L.; MURPHY, Martin J.; TUEL, Jeffrey V. in dem Aufsatz: Lightning detection methods and meteorological applications. (Veröffentlicht in: IV International Symposium on Military Meteorology, 26–28 September, 2000, 13 S. – ISBN 8391356523) einen Vorschlag zur Nutzung von drei Erfassungstechnologien und Lokalisierungsverfahren (VLF, LF und VHF) für unterschiedliche Blitzentladungen unter der Verwendung von Netzwerken bestehend aus strahlungserfassenden (insbesondere elektro-magnetische Strahlung aus einer Blitzentladung) Sensoren.In addition, CUMMINS, Kenneth L .; MURPHY, Martin J .; TUEL, Jeffrey V. in the essay: Lightning detection methods and meteorological applications. (Published in: IV International Symposium on Military Meteorology, 26-28 September, 2000, 13 p. - ISBN 8391356523) proposes to use three detection technologies and localization techniques (VLF, LF and VHF) for different lightning discharges using networks from radiation-detecting (in particular electro-magnetic radiation from a lightning discharge) sensors.
Darüber hinaus beschreiben CUMMINS, Kenneth L. [et al.] in dem Aufsatz: A combined TOA/MDF technology upgrade of the U.S. national lightning detection network. (Veröffentlicht in: Journal of Geophysical research: Atmospheres, Vol. 103, 1998, No. D8, S. 9035–9044. – ISSN 0148-0227) ein Blitzerfassungssystem mit einem Netzwerk bestehend aus über 100 strahlungserfassenden (insbesondere elektromagnetische Strahlung aus einer Blitzentladung) Sensoren. Die Autoren diskutieren in diesem Aufsatz insbesondere die Ausgestaltung und Implementierung eines Signal-Laufzeit-basierten bzw. Richtungspeilung-basierten Sensor-Netzwerks sowie dessen erfasste Daten im Hinblick auf Verbesserungspotentiale.In addition, CUMMINS, Kenneth L. [et al.], In the article: A combined TOA / MDF technology upgrade of the U. S. national lightning detection network. (Published in: Journal of Geophysical research: Atmospheres, Vol 103, 1998, No. D8, pp 9035-9044 - ISSN 0148-0227) a flash detection system with a network consisting of over 100 radiation-detecting (in particular electromagnetic radiation from a lightning discharge ) Sensors. The authors discuss in this essay in particular the design and implementation of a signal-transit time-based or direction-bearing-based sensor network and its acquired data with regard to potential for improvement.
In der Druckschrift
Zudem offenbart PARMIGIANI, Roberto; PARMIGIANI, Claudio; SELERI, Gabriele: VLF antenna „BIKELOOP”. URL: http://www.vlf.it/bikeloop/bykeloop.htm einen durch zwei orthogonal zueinander ausgerichtete Spulen ausgebildeten Antennenkörper, welcher dazu eingerichtet ist VLF-Wellen (englisch very low frequency) ausgehend von natürlichem und/oder nicht natürlichem Ursprung zu empfangen.In addition, PARMIGIANI, Roberto; PARMIGIANI, Claudio; SELERI, Gabriele: VLF antenna "BIKELOOP". URL: http://www.vlf.it/bikeloop/bykeloop.htm a formed by two orthogonal coils aligned antenna body, which is adapted to VLF (very low frequency) waves from natural and / or non-natural origin to receive.
Darüber hinaus sind in Limann, Otto: Funktechnik ohne Ballast. 14. Auflage 1978, Franzis-Verkag GmbH, München; Seiten 210–212 Beispiele für eine kapazitive und eine induktive Antennenkopplung bei AM-Antennen sowie der Einsatz von Außen- und Ferritantennen im MW- und LW-Bereich offenbart.In addition, in Limann, Otto: wireless technology without ballast. 14th edition 1978, Franzis-Verkag GmbH, Munich; Pages 210-212 Examples of capacitive and inductive antenna coupling in AM antennas and the use of external and ferrite antennas in the MW and LW range disclosed.
Aufgabenstellungtask
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Ausgehend von den vorstehend dargelegten Nachteilen und Unzulänglichkeiten sowie unter Würdigung des umrissenen Standes der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Verwendung einer Messstation mit einem Antennenkörper für ein Blitzortungsnetzwerk der eingangs genannten Art sowie eine Verwendung des Antennenkörpers für die Messstation der eingangs genannten Art so weiterzuentwickeln, dass eine genaue Charakterisierung der Impulsquelle, zum Beispiel eine zuverlässige Unterscheidung zwischen Wolke-Boden-Blitzen (C[loud]G[round]) und Wolke-Wolke-Blitzen (= I[ntra]C[loud] innerhalb einer Wolke oder C[loud]-C[loud] zwischen Wolken), gewährleistet ist.Based on the disadvantages and inadequacies set out above, as well as in appreciation of the prior art outlined, the present invention has the object, a Using a measuring station with an antenna body for a lightning location network of the type mentioned above and a use of the antenna body for the measuring station of the type mentioned so that an accurate characterization of the pulse source, for example, a reliable distinction between cloud-bottom flashes (C [loud ] G [round]) and cloud-cloud-flashing (= I [ntra] C [loud] within a cloud or C [loud] -C [loud] between clouds).
Darstellung der Erfindung: Lösung, VorteilePresentation of the invention: solution, advantages
Diese Aufgabe wird gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung durch eine Verwendung einer Messstation mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie durch eine Verwendung des Antennenkörpers für die Messstation mit den im Anspruch 7 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen gekennzeichnet.This object is achieved according to the teaching of the present invention by using a measuring station having the features specified in
Mithin liegt der Kern der vorliegenden Erfindung in der dreidimensionalen Peilung von Impulsabgaben/-aussendungen natürlichen und/oder nichtnatürlichen Ursprungs, insbesondere von Blitzen, von Ladungsabgaben, von Ladungsaussendungen oder von dergleichen, in V[ery]L[ow]F[requency]-Netzwerken; insbesondere ist keine Nutzung von Frequenzen im Radio- oder V[ery]H[igh]F[requency]-Bereich erforderlich.Thus, the gist of the present invention resides in the three-dimensional bearing of impulse emissions of natural and / or unnatural origin, particularly lightning, charge discharges, charge emissions or the like, in V [ery] L [ow] F [requency] - networks; in particular, no use of frequencies in the radio or V ery high range requency range is required.
Zur Abgrenzung von konventionellen, bereits bekannten Peilverfahren gilt für die vorliegende Erfindung, dass die Peilung nicht mit nur einer oder zwei der Impulsquelle nahen, insbesondere blitznahen, Sensoren auf direkte Weise, das heißt nicht durch ortsnahes Anpeilen in die Höhe erfolgt, sondern durch Nutzung von Abweichungen der Signal-Ankunftszeiten an den jeweils der Impulsquelle nächstgelegenen, insbesondere blitznächsten, Sensorstationen gegenüber anderen, der Impulsquelle nicht nächstgelegenen, insbesondere nicht blitznächsten, Sensorstationen.To distinguish from conventional, already known Peilverfahren applies to the present invention that the bearing is not close to only one or two of the pulse source, in particular lightning near, sensors in a direct manner, that is not done by locally targeted in height, but by using Deviations of the signal arrival times at the respective closest to the pulse source, in particular lightning next sensor stations compared to other, not the pulse source nearest, in particular not lightning next, sensor stations.
Demzufolge befasst sich das vorliegende System wie auch das vorliegende Verfahren mit einem neu konzipierten Impulsortungssystem, insbesondere Blitzortungssystem, das im Prinzip zunächst auf den bewährten zweidimensionalen Verfahren (sogenannte 2D-Blitzpeilung) im V[ery]L[ow]F[requency]-Bereich basiert.Consequently, the present system, as well as the present method, deals with a newly conceived pulse localization system, in particular a flash detection system, which is based in principle on the proven two-dimensional method (so-called 2D flash bearing) in the V [ery] L [ow] F [requency] range based.
Hierzu ist anzumerken, dass in zahlreichen Ländern 2D-Blitzortungssysteme in Betrieb sind. Beispielhaft seien das nordamerikanische Netzwerk NALDN in USA [vgl. Orville, R. E. et al. (2002), The North American Lightning Detection Network (NALDN) – First results: 1998–2000, Monthly Weather Review 130 (8), Seiten 2098 bis 21091] und das europäische Verbundsystem EUCLID erwähnt.It should be noted that in many countries 2D lightning detection systems are in operation. Examples include the North American network NALDN in the USA [cf. Orville, R.E. et al. (2002), The North American Lightning Detection Network (NALDN) - First results: 1998-2000, Monthly Weather Review 130 (8), pages 2098 to 21091] and the European Union system EUCLID mentioned.
Letzteres EUCLID-System entstand aus einem Zusammenschluss des von Siemens betriebenen bundesdeutschen Systems BLiDS (mit US-Sensor-Technik und Netzwerk-Software) und des österreichischen ALDIS-Netzes [vgl. Diendorfer, G. et al. (1994), ”Results of a performance analysis of the Austrian Lightning Location Network ALDIS. In: 22nd Int. Conf. on Lightning Protection, Sept. 19–23, Budapest, Hungary] sowie dessen Erweiterung auf zahlreiche andere umliegende Länder. Diese Netzwerke arbeiten im VLF-Bereich und nutzen die klassischen Methoden der Richtungspeilung (sogenanntes D[irection]F[inding]) und/oder der Signal-Laufzeiten (T[ime]O[f]A[rrival]). Die von einer Impulsquelle, insbesondere von einem Blitz, ausgesandte VLF-Strahlung lässt sich bei hinreichender Stärke an mehreren Sensorstationen empfangen. Zur Ermittlung des Quellortes sind dann die an den einzelnen Stationen gemessenen Einfallsrichtungen (DF) und/oder die Laufzeitunterschiede (TOA) nutzbar. Werden nun die Signale an nur zwei Sensoren festgestellt, liefern die Richtungen einen Peilort, der durch Einbindung der Signalzeiten optimiert werden kann. Bei Signalerfassung an mehr als zwei Stationen ist die T[ime]O[f]A[rrival]-Methode aus Gründen der Genauigkeit vorzuziehen, weil relativ leicht erreichbare Genauigkeiten von etwa einer Mikrosekunde bereits zu Ortungen von besser als einem Kilometer führen.The latter EUCLID system originated from an amalgamation of the German-operated system BLiDS (with US sensor technology and network software) and the Austrian ALDIS network [cf. Diendorfer, G. et al. (1994), "Results of a performance analysis of the Austrian Lightning Location Network ALDIS. In: 22nd Int. Conf. on Lightning Protection, Sept. 19-23, Budapest, Hungary] and its extension to many other surrounding countries. These networks operate in the VLF range and use the classical methods of direction finding (so-called D [irection] F [inding]) and / or the signal transit times (T [ime] O [f] A [rrival]). The VLF radiation emitted by a pulse source, in particular by a flash, can be received at a sufficient amount of strength at a plurality of sensor stations. To determine the source location, the directions of incidence (DF) measured at the individual stations and / or the propagation time differences (TOA) can then be used. If the signals are now detected at only two sensors, the directions provide a location that can be optimized by incorporating the signal times. For signal acquisition at more than two stations, the T [ime] O [f] A [rrival] method is preferable for accuracy because relatively easily achievable accuracies of about one microsecond already result in better than one kilometer locations.
Dementsprechend ist im schematischen Prinzipbild gemäß
Die Einrichtung der Signalbehandlung und der Impulsverarbeitung ist also vorteilhafterweise so angelegt, dass deutlich höhere Zeitgenauigkeiten (besser als eine Mikrosekunde, das heißt kleiner als eine Mikrosekunde) als bei konventionellen Systemen erzielt werden. Diese Genauigkeit ist wesentlich, um nach der Laufzeitmethode Ereignisorte von Impulsen, insbesondere von Blitzen, zu ermitteln.The device of signal processing and pulse processing is thus advantageously designed so that significantly higher time accuracies (better than a microsecond, that is less than a microsecond) can be achieved than in conventional systems. This accuracy is essential for determining event locations of pulses, in particular lightning, according to the transit time method.
Mittels des vorteilhafterweise eingesetzten Analyseverfahrens wird auch bei unregelmäßigen Impulsformen eine genaue Zeitbestimmung (besser als eine Mikrosekunde, das heißt kleiner als eine Mikrosekunde) ermöglicht, insbesondere für Signale, die an verschiedenen Sensoren erfasst werden und zum gleichen Impulsereignis, insbesondere zum gleichen Blitzereignis, gehören. Dies kann in unter anderem durch Muster- und Formerkennungsalgorithmen erreicht werden. By means of the advantageously used analysis method, an accurate time determination (better than one microsecond, ie less than one microsecond) is possible even with irregular pulse shapes, in particular for signals which are detected at different sensors and belong to the same pulse event, in particular to the same lightning event. This can be achieved in, inter alia, pattern and shape recognition algorithms.
Zum Beispiel in der Netzzentrale werden also mittels besonderer Algorithmen, insbesondere mittels algorithmischer Mustererkennung, aus den zahlreichen, von den Einzelsensoren eintreffenden Signalen diejenigen herausgefunden, die zum gleichen Impulsereignis gehören.For example, in the network center, by means of special algorithms, in particular by means of algorithmic pattern recognition, from the numerous signals arriving from the individual sensors, those are found which belong to the same pulse event.
Zu diesem Zweck werden die von den verschiedenen Einzelsensoren empfangenen Peakmuster in digitalisierter Form ”übereinander gelegt”, um auf diese Weise den Anfangspeak eindeutig identifizieren zu können. Mittels dieser ”Matching”-Methode ist ein zeitlich präzises und mithin gutes Peilergebnis erzielbar, was wiederum wesentlich für die Höhenpeilung ist. Hierdurch kann die hohe Ereignisempfindlichkeit erreicht und die dadurch begründete hohe Anzahl primär erfassbarer Signale tatsächlich weiter genutzt und auch hinsichtlich der Signaleigenschaften zweckdienlich ausgenutzt werden.For this purpose, the peak patterns received from the various individual sensors are "superimposed" in digitized form in order to be able to unambiguously identify the initial peak in this way. By means of this "matching" method, a time accurate and therefore good Peilergebnis can be achieved, which in turn is essential for the height bearing. As a result, the high sensitivity of the event can be achieved and the high number of signals that can be primarily detected can actually be used further and also utilized expediently with regard to the signal properties.
Die Herausfilterung von Signalen, die zum gleichen Blitzereignis gehören, ist bei hohem Datenanfall nicht trivial, weil zeitliche Überlappungen auftreten. Ist aber in einer Signalgruppe ein falsches Signal enthalten, kann eine Blitzortung nicht erfolgreich stattfinden. In konventionellen Systemen ist diese Problematik nicht gelöst; dies ist auch daran erkenntlich, dass konventionelle Blitzortungssysteme
- – zum einen einen sehr starken Blitz mehrfach melden, weil die Einzelsignale der Sensoren nicht richtig gruppiert werden, und
- – zum anderen schwache Signale wegen nicht identischer Impulsformen nicht als zusammengehörig erkennen.
- - On the one hand report a very strong flash multiple times, because the individual signals of the sensors are not properly grouped, and
- - On the other hand, weak signals because of non-identical pulse shapes do not recognize as belonging together.
Des Weiteren können bei konventionellen Blitzortungssystemen Fehlpeilungen mit erheblichen Ortsabweichungen auftreten.Furthermore, conventional flash detection systems can cause misalignments with significant deviations in location.
Sind mehr als drei Messdaten verfügbar, können die drei zu ermittelnden unbekannten Größen (= die Länge; die Breite; die Impulsabgabezeit, insbesondere die Blitzzeit) mit üblichen Minimalisierungsverfahren errechnet werden. Soweit systematische Fehler ebenfalls in der Größenordnung von etwa einer Mikrosekunde bleiben, lässt sich die genannte Peilgenauigkeit auch nachhaltig im praktischen Dauerbetrieb erzielen und beispielsweise anhand von Einschlägen in Messtürme verifizieren.If more than three measured data are available, the three unknown quantities to be determined (= the length, the width, the pulse output time, in particular the flash time) can be calculated using standard minimization methods. As far as systematic errors also remain on the order of about one microsecond, the DF accuracy mentioned can also be achieved sustainably in practical continuous operation and verified for example by means of impacts in measuring towers.
Da das System wie auch das Verfahren eine besonders hohe Nachweiseffizienz auch im Bereich schwacher Impulse, insbesondere schwacher Blitze, erzielt und keine Maßnahmen zur Unterdrückung von IC-Entladungen, insbesondere von IC-Blitzen, angewandt werden müssen, liefert das neue Netz erheblich mehr Entladungsereignisse als konventionelle Vergleichssysteme. Aus diesem Grunde stellt sich in ganz besonderem Maße die Frage nach der Herkunft der Entladungen.Since the system as well as the method a particularly high detection efficiency, even in the field of weak pulses, especially weak flashes achieved, and no measures to suppress IC discharges, in particular IC flashes must be applied, the new network provides significantly more discharge events than conventional comparison systems. For this reason, the question of the origin of the discharges arises in a very special way.
Zu diesem Zweck wird das Netz (insbesondere das Blitzortungsnetzwerk) gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung um einen dreidimensionalen Modus (sogenannter 3D-Modus) erweitert, so dass Emissionshöhen von Impulsen, insbesondere von Entladungen, ermittelt werden können. Damit wird erfindungsgemäß ein neuartiger und entscheidender Beitrag zur Identifizierung von IC-/CC-Entladungen, insbesondere von IC-/CC-Blitzen, vorgeschlagen.For this purpose, according to the teaching of the present invention, the network (in particular the flash detection network) is expanded by a three-dimensional mode (so-called 3D mode) so that emission levels of pulses, in particular of discharges, can be determined. Thus, according to the invention, a novel and decisive contribution to the identification of IC / CC discharges, in particular of IC / CC flashes, is proposed.
Eine derartige Vorgehensweise bietet eine Reihe von technischen wie auch wirtschaftlichen Vorteilen:
- – weil nur eine Station impulsquellennah, insbesondere blitznah, sein muss, sind große Sensorabstände möglich, das heißt es ist kein dichtes teures Netz erforderlich;
- – aufgrund der Nutzung G[lobal]P[ositioning]S[ystem]-gesteuerter Zeitmessungen können auch noch größere Entfernungen von bis zu etwa einhundert Kilometern zur Blitz-Station als ”der Impulsquelle nah” bzw. als ”blitznah” gelten und signifikante, das heißt für die Höhenpeilung nutzbare Zeitabweichungen produzieren;
- – die Verwendung von V[ery]L[ow]F[requency]-Messnetzen (= Bereich um zehn Kilohertz) sichert eine große Reichweite der der Impulsquelle nicht nächstgelegenen Messstationen, zum Beispiel der nicht blitznächsten Blitzstationen (,die den Blitz auch noch erfassen müssen), das heißt etablierte VLF-Netze können eingesetzt werden, sofern die Zeitmessungen im Mikrosekundenbereich genau sind;
- – das System wie auch das Verfahren kann auf der Hardware herkömmlicher 2D-Blitzortungsverfahren aufsetzen; eine Verwendung ”echter” 3D-Techniken im Radio- oder VHF-Bereich ist insofern nicht erforderlich, als Ziel des Systems wie auch des Verfahrens nicht die räumlich präzise Auflösung von Entladungskanälen, zum Beispiel von Blitzkanälen,
im 100 Meter-Bereich, sondern die Bereitstellung einer Datenbasis für eine Entscheidung hinsichtlich der Frage ist, ob das detektierte Ereignis als I[ntra]C[loud]-Impuls, insbesondere als I[ntra]C[loud]-Blitz, einzustufen ist; - – die Existenz von Impulsabgaben bzw. Impulsaussendungen, insbesondere von Blitzemissionen, aus Kilometer-Höhen lässt sich theoriefrei und ohne Annahme justierbarer Parameter aus einem Vergleich der an einzelnen (,jeweils blitznächsten) Sensoren und an Gruppen von (nicht blitznächsten) Sensoren gemessenen Verteilungen von Zeitabweichungen zweier Impulsabgabezeiten (im Netz durch Gesamtpeilung ermittelte Impulszeit minus Differenz von Ankunftszeit und Laufzeit an der jeweiligen der Impulsquelle nächstgelegenen Station), insbesondere zweier Blitzzeiten (im Netz durch Gesamtpeilung ermittelte Blitzzeit minus Differenz von Ankunftszeit und Laufzeit an der jeweiligen blitznächsten Station), erkennen;
- – die Emissionshöhe lässt sich mit Algorithmen, die mit denen der Ortspeilung zumindest vergleichbar sind, durch Hinzufügen der Höhenvariablen berechnen;
- – das Verfahren kann in andere existierende Impulsortungssysteme, insbesondere Blitzortungssysteme, integriert werden, sofern die notwendige Zeitgenauigkeit erzielt wird;
- – das Verfahren kann auch bei intensitätsschwachen Impulsen, insbesondere bei intensitätsschwachen Blitzen, eingesetzt werden, sofern der Impuls, insbesondere der Blitz, an drei, bei Nutzung von Einfallsrichtungen zur Peilung auch an nur zwei Sensoren gemessen wird;
- – die Ergebnisse des Verfahrens können dazu benutzt werden, Fragen einer Impulsform-Diskriminierung von Wolke-Wolke-Entladungen (IC), insbesondere von Wolke-Wolke-Blitzen, gegenüber Wolke-Erde-Entladungen (CG), insbesondere Wolke-Erde-Blitzen, zu klären; und
- – das System wie auch das Verfahren kann zusammen mit der Impulsform-Analyse zur Diskriminierung eingesetzt werden, um den (kleinen) Prozentsatz strittiger Fälle zu lösen, der weder mit dem einen Verfahren noch mit dem anderen Verfahren klar entscheidbar ist.
- - Because only one station impulsquillennah close, in particular lightning-fast, must be, large sensor distances are possible, that is, it is not a dense expensive network required;
- - due to the use of G [lobal] P [ositioning] S [ystem] -controlled time measurements, even greater distances of up to about one hundred kilometers to the flash station can be considered "near the pulse source" or "close to the flash" and significant, that is to produce usable time deviations for the height bearing;
- - the use of V [ery] L [ow] F [requency] measurement networks (= range around ten kilohertz) ensures a long range of the measuring stations not closest to the pulse source, for example the non-lightning flash stations (which still detect the flash) must), that is established VLF networks can be used, provided that the time measurements in the microsecond range are accurate;
- The system as well as the method can be based on the hardware of conventional 2D flash detection methods; It is not necessary to use "real" 3D techniques in the radio or VHF range, as the object of the system as well as the method is not the spatially precise resolution of discharge channels, for example of lightning channels, in the 100 meter range, but the provision of a database for a decision as to whether the detected event as I [ntra] C [loud] pulse, especially as I [ntra] C [loud] flash;
- The existence of momentum emissions, in particular of lightning emissions, from kilometer altitudes can be calculated theory-free and without assuming adjustable parameters from a comparison of the time-deviations measured at individual (, respectively closest to the lightning) sensors and at groups of sensors (not the closest to the lightning) two pulse delivery times (in the network by total bearing determined pulse time minus the difference of time of arrival and transit time at the respective closest to the pulse source station), in particular two flash times (in the network determined by total bearing flash time minus difference of arrival time and duration at each lightning next station) recognize;
- - The emission level can be calculated with algorithms that are at least comparable to those of the location bearing, by adding the height variables;
- The method can be integrated into other existing pulse localization systems, in particular flash detection systems, provided the necessary time accuracy is achieved;
- - The method can also be used in low-intensity pulses, especially in low-intensity flashes, provided that the pulse, in particular the flash, is measured at three, when using directions of incidence for bearing also on only two sensors;
- The results of the method can be used to address issues of pulse shape discrimination of cloud-to-cloud discharges (ICs), in particular cloud-to-cloud flashes, to cloud-to-earth discharges (CG), in particular cloud-to-earth flashing, to clarify; and
- - The system as well as the procedure can be used together with the Pulse Shape Analysis for Discrimination to solve the (small) percentage of contentious cases that is not clearly decidable with either method or with the other method.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung arbeitet der Sensor passiv und ohne Stromversorgung. Dies erspart im Vergleich zu bekannten Systemen Fehlerquellen. Zudem kann der Sensor, wenn er passiv und ohne Stromversorgung arbeitet, deutlich höhere Datenraten verarbeiten, als dies bei früher beschriebenen oder existierenden Systemen aus dem Stand der Technik der Fall war.In an advantageous embodiment of the present invention, the sensor operates passively and without power supply. This saves error sources compared to known systems. In addition, when working passively and without power, the sensor can process much higher data rates than previously described or existing prior art systems.
Neben den vorstehend dargelegten technischen sowie wirtschaftlichen Vorteilen bietet die vorliegende Erfindung auch eine Reihe von Anwendungsvorteilen, so etwa
- – meteorologisch und wolkenphysikalisch wichtige Erkenntnisse über das Auftreten von IC-Blitzen,
- – eine höchst sichere Unterscheidung von CG-Blitzen versus IC-Blitzen,
- – eine bessere Identifizierung von CG-Blitzen, was zu wichtigen Folgedaten in Form von zuverlässigeren Blitzdichte-Karten führt (Verbesserung des Blitzschutzes, was zum Beispiel für die Automobilindustrie, für das Baugewerbe, für Freizeitveranstalter, für Reiseveranstalter und/oder für die Versicherungswirtschaft interessant ist) oder
- – eine Erfassung von wesentlich mehr Blitzen, als herkömmliche Netze melden, was in Zusammenhang mit CG-Identifizierungen zu deutlich höheren Boden-Blitzdichten als bisher angenommen führt.
- - Meteorological and cloud physical important knowledge about the occurrence of IC flashes,
- A most reliable distinction of CG flashes versus IC flashes,
- - A better identification of CG flashes, which leads to important follow-up data in the form of more reliable flash density cards (improvement of lightning protection, which is interesting for example for the automotive industry, for the construction industry, for leisure operators, for tour operators and / or for the insurance industry ) or
- - Detecting significantly more flashes than conventional grids report, resulting in connection with CG identifications to significantly higher ground-lightning densities than previously thought.
Des Weiteren liefert die vorliegende Erfindung einen Lösungsbeitrag zu einer Reihe von Schwierigkeiten, so etwa
- – dem Erfordernis einer genauen Zeitbestimmung auch bei intensitätsschwachen, verrauschten, komplex geformten und/oder übersteuerten Signalen, um eine möglichst quantitative Erfassung und Unterscheidung von Impulsen (I[ntra]C[loud] versus C[loud]G[round]), insbesondere von Blitzen, zu gewährleisten,
- – der Notwendigkeit einer effizienten Erkennung nicht impulskorrelierter, insbesondere nicht blitzkorrelierter, Störsignale,
- – dem Erfordernis einer optimalen Einrichtung des Zeitmanagements aller Stations- und Netzkomponenten oder
- – der Notwendigkeit einer Benutzung komplexer Algorithmen zur möglichst zuverlässigen
- The requirement of precise time determination even with weak-intensity, noisy, complex-shaped and / or overdriven signals in order to obtain the most quantitative possible detection and differentiation of pulses (I [ntra] C [loud] versus C [loud] G [round]), in particular of lightning, to ensure
- The need for efficient detection of non-pulse-correlated, in particular non-lightning-correlated, interference signals,
- The requirement of an optimal time management of all station and network components or
- - the need to use complex algorithms for the most reliable
Impulsabgabeunterscheidung, insbesondere Entladungsunterscheidung, von echten und statistisch sowie durch systematische Fehler bedingten Zufalls-Höhenpeilungen.Impulsabgabeunterscheidung, in particular discharge discrimination, of real and statistical and systematic errors due to random height estimates.
Das Erfordernis der Zeitbestimmung beinhaltet somit gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung eine besonders genaue Zeitmarkierung der an den einzelnen Sensoren eintreffenden Signale. Diese Zeitmarkierung erfolgt für Signale des gleichen Impulses, insbesondere des gleichen Blitzes, an den verschiedenen Sensorstationen möglichst gleichartig.The requirement of time determination thus includes, according to an advantageous development of the present invention, a particularly accurate time marking of the signals arriving at the individual sensors. This time marking takes place for signals of the same pulse, in particular the same flash, at the different sensor stations as similar as possible.
Aufgrund dieser genauen Zeitmarkierung kann aus den Markierungszeiten ermittelt werden, ob an einem der Impulsquelle nahen Sensor, insbesondere an einem blitznahen Sensor, – relativ zu den anderen Sensoren – eine verzögerte Signalzeit gemessen wird; falls eine derartige Verzögerung der Signalzeit vorliegt, weist dies auf eine verlängerte Laufstrecke und damit auf eine Herkunft aus großer Höhe hin. On the basis of this precise time marking, it can be determined from the marking times whether a sensor signal near the pulse source, in particular on a sensor close to the lightning, is measured with respect to the other sensors, a delayed signal time; if such a delay of the signal time is present, this indicates an extended running distance and thus an origin from a great height.
Da dieser auszunutzende Laufzeitunterschied mit zunehmender Distanz zwischen Impulsquellenort, insbesondere Blitzort, und betrachtetem Sensor immer kleiner wird, erfordert eine effiziente Höhenpeilung die Messung und Verwendung sehr kleiner Zeitunterschiede von höchstens etwa einer Mikrosekunde. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind daher die Markierungen der einzelnen Signale nicht ungenauer als dieser Zeitunterschied.Since this time difference to be exploited becomes progressively smaller as the distance between the pulse source location, in particular the flash location, and the sensor under consideration increases, efficient height estimation requires the measurement and use of very small time differences of at most about one microsecond. In an advantageous embodiment of the invention, therefore, the markings of the individual signals are not inaccurate than this time difference.
Des Weiteren ermöglicht es die vorliegende Erfindung, neue Fragen betreffend die VLF-Emission aus Gewitterwolken zu diskutieren. So ist für die Möglichkeit der Höhenpeilung erfindungswesentlich, dass die Verzögerung der Impuls-Ankunftszeit, insbesondere der Blitz-Ankunftszeit, ihre Ursache in der längeren Laufzeit zur Emissionsquelle hat und nicht durch apparative oder sonstige systematische Fehler verursacht wird. Im Folgenden werden die fünf wichtigsten möglichen Effekte diskutiert, die einen Einfluss auf die Höhenbestimmung haben können:
- (i) Zunächst könnte unterstellt werden, dass verzögerte Ankunftszeiten aufgrund von Systemfehlern rein statistisch verteilt auftreten und keine physikalische Bedeutung haben. Da die in Rede stehenden Verzögerungen je nach Distanz zur Impulsquelle, insbesondere zum Blitz, meist mehrere Mikrosekunden betragen, müssten relativ große Zeitfehler unterstellt werden, die aufgrund der nachweislich genauen Peilungen auszuschließen sind. Ferner würde man dann erwarten, dass Fehler mit kleineren Verzögerungszeiten häufiger auftreten und die resultierende Höhenverteilung entgegen den tatsächlichen Ergebnissen zu geringen Höhen der Impulsquelle, insbesondere zu niedrigen Blitzhöhen, nahe Null stark zunimmt. Eine Untersuchung der Zeitabstände zwischen ermittelter Impulsabgabe- oder -aussendungszeit, insbesondere ermittelter Blitzzeit, und den aus den Einzelstationen gemäß Ankunftszeit und Laufzeit zum Ort der Impulsquelle, insbesondere zum Blitzort, resultierenden Impulsabgabe- oder -aussendungszeiten, insbesondere Blitzzeiten, ergeben erfindungsgemäß keinerlei systematische Abweichungen der Zeitmeldungen einer Station relativ zur Gesamtheit der Stationen.
- (ii) Signalverzögerungen an einer Sensorstation können durch elektronische Effekte zustande kommen undan den verschiedenen Stationen unterschiedlich stark ausgeprägt sein. Wäre dies der Fall, würde die 3D-Peilung in praktisch allen Fällen zu fiktiven, stationsbezogen unterschiedlichen Impulsquellenhöhen, insbesondere Blitzhöhen, führen und nicht nur bei einem Bruchteil der Signalgruppen. Zudem wäre dieser Fehler in der Prüfung gemäß vorstehendem Punkt (i) zu entdecken.
- (iii) Falsche Ankunftszeiten können durch fehlerhafte Auswertung der eintreffenden Signale verursacht sein; insbesondere bei Impulsen mit mehreren signifikanten Extremwerten oder bei nicht aufgelösten Doppelpeak-Strukturen könnte eine falsche Zeitmarkierung entstehen. Bei noch gut aufgelösten Peaks würde ein solcher Fehler jedoch in der Regel zum gegenteiligen Effekt führen (--> zu frühe Ankunftszeit anstatt zu später Ankunftszeit), weil die impulsnächste, insbesondere blitznächste, Station, das stärkste Signal empfängt und daher kaum zu erwarten ist, dass der erste relevante Signalpeak unterdrückt und statt dessen der zweite (”verzögerte”) Peak zur Zeitmarkierung erfasst wird. Bei schlecht aufgelösten Doppelstrukturen könnte allerdings bei der impulsnächsten, insbesondere blitznächsten, Station das Maximum im zeitlich späteren Teil liegen, während bei weiter entfernten Stationen infolge von Dämpfungs- und Ausbreitungseffekten die Struktur nicht mehr aufgelöst und ein früheres Maximum in der Mitte des Gesamtpeaks gefunden wird. Die Signalauswertung gemäß der vorliegenden Erfindung berücksichtigt und löst derartige Probleme.
- (iv) Die Sensoren können insbesondere bei nahen Impulsquellen, insbesondere bei nahen Blitzen, übersteuern und daher keine oder verfälschte Zeitmarkierungen und Einfallsrichtungen melden. Es wird über vorhandene Ortungsnetze häufig berichtet, dass zur Vermeidung solcher Komplikationen der Impulsquelle nahe Stationen, insbesondere blitznahe Stationen, bei der Auswertung nicht berücksichtigt werden. Für eine 3D-Peilung würden dann die interessantesten Informationen verloren gehen. Die Empfangsstationen gemäß der vorliegenden Erfindung sind daher auf hohe Intensitätsauflösung mit großem Dynamikbereich ausgelegt – ohne bei schwächsten Signalen unempfindlich zu werden –, und die Impulsbehandlung kann auch gesättigte Signale in zuverlässiger Weise verarbeiten. Dies ist dadurch erleichtert, dass das Feld B(t) und nicht die Ableitung dB/dt gemessen wird, so dass Integrationsprozeduren entfallen.
- (v) Es ist wohlbekannt, dass lokale ”site-errors” zur Verfälschung der gemessenen Einfallsrichtungen führen; weniger ist über die damit verbundenen Zeitfehler berichtet worden. Sollten diese Zeitfehler den Bereich von etwa einer Mikrosekunde übersteigen, was durchaus vorstellbar erscheint, würden sich zwar nicht zwingend gravierende Fehler in der 2D-Lokalisierung des Netzes, jedoch fiktive Emissionshöhen in der dreidimensionalen Ortung ergeben. Ein solcher Effekt würde dann bei nahezu allen Signalen auftreten und dadurch feststellbar sein (vgl. vorstehender Punkt (i)).
- (i) First, it could be assumed that delayed arrival times due to system errors occur purely statistically distributed and have no physical significance. Since the delays in question, depending on the distance to the pulse source, in particular to the flash, usually amount to several microseconds, relatively large time errors would have to be assumed, which can be ruled out due to the verifiable accurate bearings. Further, one would then expect errors with smaller delay times to occur more frequently, and the resulting altitude distribution greatly increases, contrary to the actual results, to low heights of the pulse source, especially to low flash heights, near zero. An investigation of the time intervals between determined Impulsabgabe- or -aussendungszeit, in particular determined flash time, and from the individual stations according to arrival time and duration to the location of the pulse source, in particular the flash point resulting Impulsabgabe- or -aussendungszeiten, in particular flash times, according to the invention result in any systematic deviations of Time messages of a station relative to the totality of the stations.
- (ii) Signal delays at a sensor station may be due to electronic effects and be different in severity at the various stations. If this were the case, the 3D bearing would in almost all cases lead to fictitious, station-related different pulse source heights, in particular flash heights, and not just a fraction of the signal groups. In addition, this error would have to be detected in the test according to (i) above.
- (iii) Incorrect arrival times can be caused by incorrect evaluation of the incoming signals; in particular with pulses with several significant extreme values or with unresolved double peak structures, a wrong time marking could arise. In the case of well-resolved peaks, however, such an error would generally lead to the opposite effect (-> too early arrival time instead of too late arrival time), because the next impulse, especially lightning-fast, station receives the strongest signal and is therefore hardly to be expected, that the first relevant signal peak is suppressed and instead the second ("delayed") peak is detected for timing. In the case of poorly resolved double structures, however, the maximum at the impulse-next, especially lightning-next, station could lie in the temporally later part, while at more distant stations due to damping and propagation effects the structure is no longer resolved and an earlier maximum in the middle of the total peak is found. The signal evaluation according to the present invention takes into account and solves such problems.
- (iv) The sensors can overdrive especially at near pulse sources, especially near lightning, and therefore report no or falsified timing marks and incident directions. It is frequently reported on existing localization networks that in order to avoid such complications of the pulse source near stations, in particular lightning near stations, are not taken into account in the evaluation. For a 3D bearing then the most interesting information would be lost. The receiving stations according to the present invention are therefore designed for high intensity resolution with a large dynamic range - without becoming insensitive to the weakest signals - and the impulse treatment can also process saturated signals in a reliable manner. This is facilitated by measuring the field B (t) and not the derivative dB / dt, thus eliminating integration procedures.
- (v) It is well known that local "site-errors" lead to falsification of the measured directions of incidence; less has been reported about the associated timing errors. Should this time error the In the range of about one microsecond, which seems quite conceivable, not necessarily serious errors would result in the 2D localization of the network, but fictitious emission levels in the three-dimensional location. Such an effect would then occur in almost all signals and thus be detectable (see the above point (i)).
In Anbetracht der vorstehenden Befunde kann bei der vorliegenden Erfindung davon ausgegangen werden, dass die hier vorgestellten 3D-Peilungen reale Laufzeitverzögerungen signalisieren, die durch Emission in den Gewitterwolken anstatt in Bodennähe entstehen.In view of the above findings, it can be assumed in the present invention that the 3D bearings presented here will signal real propagation delays caused by emission in the storm clouds rather than near the ground.
Die erfindungsgemäß ermittelten Höhen der Impulsquellen, insbesondere Blitzhöhen, sind auch mit der Geometrie typischer Gewitterwolken gut verträglich. Da allgemein und aus guten Gründen angenommen wird, dass CG-Entladungen, insbesondere CG-Blitze, nahe am Boden die Hauptausstrahlung im VLF-Bereich erzeugen, ist die Schlussfolgerung naheliegend, dass es sich bei den 3D-Peilungen um negative und positive IC-Entladungen, insbesondere IC-Blitze, handelt, die eine starke vertikale Entladungsrichtung aufweisen.The inventively determined heights of the pulse sources, in particular flash heights, are also well compatible with the geometry of typical storm clouds. Since it is generally and for good reasons assumed that CG discharges, in particular CG flashes, generate the main emission in the VLF range close to the ground, it is obvious that the 3D bearings are negative and positive IC discharges , in particular IC flashes, which have a strong vertical discharge direction.
Eher horizontal ausgerichtete IC- oder CC-Entladungen, zum Beispiel IC- oder CC-Blitze, dürften wegen der für die erfindungsgemäß angewandte Messtechnik ungünstigeren Strahlungscharakteristik kaum an mehreren Stationen mit Amplituden gemäß einer 1/R-Abhängigkeit zu empfangen sein.Rather horizontally oriented IC or CC discharges, for example IC or CC flashes, should hardly be able to be received at several stations with amplitudes according to a 1 / R dependence because of the less favorable radiation characteristic for the measuring technique used according to the invention.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet, speziell für linienförmige Impulsquellen, auch die Option einer Trennung von Impulsquellen, zum Beispiel von IC-(bzw. CC-)Blitzen, in vertikale und horizontale Entladungskanäle, insbesondere Blitzkanäle, das heißt die Möglichkeit einer Diskriminierung von IC-(bzw. CC-)Entladungen, insbesondere von IC-(bzw. CC-)Blitzen, die schwerpunktmäßig vertikal oder horizontal verlaufen.The present invention also includes, especially for linear pulse sources, the option of separating pulse sources, for example IC (or CC) flashes, into vertical and horizontal discharge channels, in particular flash channels, that is the possibility of discriminating IC ( or CC-) discharges, in particular of IC (or CC) flashes, which are predominantly vertical or horizontal.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die an einer ausreichenden Anzahl von Sensorstationen gemessenen Amplituden A hinsichtlich ihrer Entfernung R geprüft werden: Ist die entfernungsabhängige Amplitude A(R) mit einem 1/R-Gesetz verträglich und ist das Impulsereignis, insbesondere Blitzereignis, mittels der 3D-Methode als I[ntra]C[loud]- bzw. I[nter]C[loud]-Typ eingestuft worden, dann handelt es sich um einen vorwiegend vertikalen Blitz.This is achieved according to the invention by checking the amplitudes A measured at a sufficient number of sensor stations with respect to their distance R: is the distance-dependent amplitude A (R) compatible with a 1 / R law and is the pulse event, in particular the lightning event, by means of 3D method is classified as I [ntra] C [loud] or I [nter] C [loud] type, then it is a predominantly vertical flash.
Lassen sich jedoch starke Abweichungen vom 1/R-Gesetz feststellen und lassen sich diese dadurch korrigieren, dass die Strahlungscharakteristik gemäß zweier Winkel, zum Beispiel dem Höhenwinkel und dem Winkel zwischen Impulsabgabe-/-aussendungsachse, insbesondere Blitzachse, und Richtung zum Sensor, berücksichtigt wird, dann handelt es sich um einen vorwiegend horizontalen Entladungskanal, insbesondere Blitzkanal.However, strong deviations from the 1 / R law can be detected and corrected by taking into account the radiation characteristics according to two angles, for example the elevation angle and the angle between the momentum / emission axis, in particular the flash axis, and the direction to the sensor , then it is a predominantly horizontal discharge channel, in particular lightning channel.
Die von der Entfernung R abhängigen Amplituden A(R) können durch variable Bodenleitfähigkeit bedampft sein, was eine 1/R-Abhängigkeit stören kann. In dem vorliegenden System wie auch dem vorliegenden Verfahren wird diesem Umstand Rechnung getragen, indem Gruppen von Impulsquellen, zum Beispiel von Blitzen, aus engen räumlichen Bereichen gemäß des vorliegenden Systems wie auch des vorliegenden Verfahrens gemeinsam analysiert werden. Mit dieser optionalen technischen Maßnahme lässt sich feststellen, ob bei gleicher oder sehr ähnlicher Laufstrecke die Dämpfungseffekte beständig oder nur bei einzelnen (,horizontalen) Impulsen, insbesondere Blitzen, auftreten.The amplitudes A (R) dependent on the distance R may be vaporized by variable ground conductivity, which may interfere with a 1 / R dependence. In the present system, as well as the present method, this fact is accounted for by jointly analyzing groups of pulse sources, for example, flashes, from narrow spatial areas according to the present system as well as the present method. With this optional technical measure, it can be determined whether with the same or very similar running distance the damping effects occur consistently or only with individual (horizontal) pulses, in particular flashes.
Diese letztgenannte Gruppenanalyse kann zweckmäßigerweise sogar online erfolgen, wenn beispielsweise das jeweilige Gewitter innerhalb des gewählten Meldezeitraums für dreidimensionale Impulsortungen, insbesondere Blitzortungen, (von zum Beispiel einer Minute) genügend Blitze aus der gleichen Gegend liefert. Ansonsten kann diese Zusatzinformation über horizontale Impulse, insbesondere über horizontale Blitze, auf jeden Fall offline, also bei nachträglicher Analyse, festgestellt werden.This latter group analysis may conveniently be done online even if, for example, the particular thunderstorm within the chosen reporting period for three-dimensional momentum locations, especially lightning locations, provides (for example one minute) enough flashes from the same area. Otherwise, this additional information about horizontal pulses, in particular about horizontal flashes, in any case offline, so in subsequent analysis, can be determined.
Interessant ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung noch die Frage, inwieweit aufwärts gerichtete Erde-Wolke-Entladungen (G[round]C[loud]), zum Beispiel Erde-Wolke-Blitze, an der Wolkenuntergrenze ausstrahlen. Insofern ist es nützlich, die erfindungsgemäß erhaltenen Befunde beispielhaft anhand echter 3D-Systeme zu überprüfen [vgl. Defer, E. et al. (2000), Simultaneous observations of CG activity from NALDN and ONERA-ITF interferometric mapper during the STERAO-A experiment. In: Int. Lightning Detection Conf., Nov. 7–8, Tucson, Arizona (Global Atmospherics Inc.)].Of interest in connection with the present invention is the question to what extent upward-directed earth-cloud discharges (G [round] C [loud]), for example earth-cloud-lightning, emanate at the lower cloud boundary. In this respect, it is useful to check the findings obtained according to the invention by means of real 3D systems [cf. Defer, E. et al. (2000), Simultaneous observations of CG activity from NALDN and ONERA-ITF interferometric mapper during the STERAO-A experiment. In: Int. Lightning Detection Conf., Nov. 7-8, Tucson, Ariz. (Global Atmospherics Inc.)].
Eine Verfeinerung des Pseudo-3D-Systems bzw. des Pseudo-3D-Verfahrens zur Ermittlung von Höhen von Impulsquellen, zum Beispiel von Blitz-Emissionshöhen, im VLF-Bereich hinsichtlich noch genauerer Zeitauflösungen, als sie in der ersten Phase des Netzes realisiert sind, und die Kombination mit Impulsform-Analysen erlaubt mit minimalem Zusatzaufwand eine zuverlässigere und nahezu quantitative (Online-)Diskriminierung von CG-Impulsen, insbesondere von CG-Blitzen, und IC-Impulsen, insbesondere IC-Blitzen.A refinement of the pseudo-3D system or the pseudo-3D method for determining heights of pulse sources, for example of lightning emission levels, in the VLF range with respect to even more accurate time resolutions than are realized in the first phase of the network, and the combination with pulse shape Analyzes allow more reliable and near-quantitative (on-line) discrimination of CG pulses, particularly CG flashes, and IC pulses, especially IC flashes, with minimal overhead.
Grundsätzlich erlaubt die durch die Lehre gemäß der vorliegenden Erfindung vermittelte Nutzung des 2D-Blitzortungsnetzes als Pseudo-3D-Netz die Identifizierung von Entladungen, die in Gewitterwolken aus großer Höhe emittiert werden.Basically, the use of the 2D lightning location network as a pseudo-3D network, mediated by the teachings of the present invention, allows the identification of discharges emitted in high altitude storm clouds.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung misst der Sensor tatsächlich die magnetische Induktion B(t) direkt als Funktion der Zeit. Dabei wird – wie physikalisch zwingend vorgegeben das Induktionsgesetz genutzt. Die Nutzung des Induktionsgesetzes führt bei konventioneller Anwendung zu einer Messspannung, die der Ableitung dB/dt der magnetischen Induktion B(t) nach der Zeit t proportional ist.In an advantageous embodiment of the present invention, the sensor actually measures the magnetic induction B (t) directly as a function of time. In doing so, the induction law is used - just as physically required. The use of the law of induction leads in conventional application to a measuring voltage which is proportional to the derivative dB / dt of the magnetic induction B (t) after time t.
Eine zweckmäßige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet jedoch eine elektrotechnische Schaltungsweise, die im gewählten Frequenzbereich tatsächlich zu B(t) führt. Wichtiger Nebeneffekt ist, dass dadurch keine nachfolgenden Elemente zur Integration von dB/dt zu B(t) notwendig sind (falls sie nötig gewesen wären, würden derartige nachfolgende Elemente wiederum zu zusätzlichen Ungenauigkeiten führen, weil auch über die unvermeidbaren Rauschanteile integriert würde). Das System ist auch so ausgelegt, dass gleichzeitig eine extrem hohe Signalempfindlichkeit entsteht.However, an expedient embodiment of the present invention includes an electrical circuit that actually leads to B (t) in the selected frequency range. An important side-effect is that it does not require subsequent elements to integrate dB / dt into B (t) (if necessary, such subsequent elements would in turn lead to additional inaccuracies because it would also be integrated over the unavoidable noise). The system is also designed to provide extremely high signal sensitivity at the same time.
Voraussetzung für die Anwendung des Systems wie auch des Verfahrens ist eine auch bei komplexen Impulsformen, insbesondere Blitz-Impulsformen, auf etwa eine Mikrosekunde genaue Bestimmung der Signal-Ankunftszeiten an den einzelnen Sensorstationen, die bei optimaler Nutzung von GPS-Empfängern und bei intelligenter Impulsanalyse erzielbar ist.Prerequisite for the application of the system as well as the method is even with complex pulse shapes, especially lightning pulse shapes, to about one microsecond accurate determination of the signal arrival times at the individual sensor stations, which can be achieved with optimal use of GPS receivers and intelligent pulse analysis is.
Es ist also möglich, einen Großteil der in einem Ortungsnetz peilbaren Impulse, insbesondere Blitze, in Netzen mit geringeren Stationsabständen sogar die Mehrzahl aller Impulse, insbesondere Blitze, einer 3D-Analyse zu unterziehen und sehr direkt – ohne jegliche theoretische Annahme und ohne jeglichen justierbaren Parameter – festzustellen, ob die Emission bodennah erfolgte.It is thus possible to subject a majority of the detectable in a localization network pulses, especially lightning, in networks with lower station distances even the majority of all pulses, especially lightning, a 3D analysis and very directly - without any theoretical assumption and without any adjustable parameters - determine whether the emission was close to the ground.
Damit ist ein wesentlicher Beitrag zu einer nachvollziehbar zuverlässigen Identifizierung von CG-Impulsen, insbesondere von CG-Blitzen, auch in räumlich großen Netzen erzielt, ohne nennenswerten Zusatzaufwand zu betreiben. Die Vorteile ”echter” 3D-Systeme bleiben davon gänzlich unberührt, weil diese grundsätzlichere physikalische Vorgänge sowie kleinräumigere Entladungskanal-Auflösungen, zum Beispiel Blitzkanal-Auflösungen, zum Ziel haben, als dies bei der hier behandelten reinen Blitzortung der Fall ist.This is an essential contribution to a comprehensible reliable identification of CG pulses, in particular of CG flashes, achieved even in spatially large networks, without significant additional effort to operate. The advantages of "true" 3D systems remain entirely unaffected, because these have more fundamental physical processes and smaller-scale discharge channel resolutions, for example, flash channel resolutions, as the goal, as is the case here with the pure lightning location.
Wie bei der Darstellung der vorliegenden Erfindung eingangs bereits dargelegt, kann das Orten von Impulsquellen, insbesondere die Blitzortung, mittels V[ery]L[ow]F[requency]-Messungen entweder mittels der Methode der Richtungspeilung (sogenanntes ”D[irection]F[inding]”) und/oder mittels des Laufzeitdifferenzverfahrens (sogenannte ”T[ime]O[f]A[rrival]method”) erfolgen.As already stated in the presentation of the present invention, the location of pulse sources, in particular the lightning location, can be determined by means of the V [ery] L [ow] F [requency] measurements either by the direction-finding method (so-called "D [irection] F [inding] ") and / or by means of the transit time difference method (so-called" T [ime] O [f] A [rrival] method ").
Bei der traditionellen Richtungspeilung (DF = direction finding) wird an den Sensorstationen die Einfallsrichtung der elektromagnetischen Strahlung, insbesondere die Einfallsrichtung des Blitzsignals, gemessen und die Impulsquelle mittels Schnittpunktmethoden lokalisiert, insbesondere der Blitzort bestimmt. Bei dieser konventionellen Methode treten Ungenauigkeiten auf, die als lokaler Fehler oder ”site error” bezeichnet werden.In traditional direction finding (DF = direction finding), the direction of incidence of the electromagnetic radiation, in particular the direction of incidence of the flash signal, is measured at the sensor stations and the pulse source is localized by means of intersection methods, in particular the flash location. In this conventional method, inaccuracies occur, which are referred to as a local error or "site error".
In der Vergangenheit sind Verfahren publiziert worden, um diese Fehler im Nachhinein zu korrigieren und somit die Ortungsgenauigkeit zu erhöhen. Dies geschieht meist dadurch, dass eine Ortung ohne einen bestimmten Sensor erfolgt; damit ergibt sich aus dem Ort der Impulsquelle, insbesondere aus dem Blitzort, und aus dem Sensorort ein Sollwinkel. Dieser Sollwinkel wird mit dem tatsächlich gemessenen Winkel verglichen, und aus der Differenz wird eine Winkelkorrektur abgeleitet. Durch zyklisches Wiederholen des Verfahrens kann eine Optimierung erfolgen. Hierbei können auch (genauere) T[ime]O[f]A[rrival]-Ortsbestimmungen mit herangezogen werden.In the past, methods have been published to correct these errors retrospectively and thus to increase the locating accuracy. This is usually done by locating without a specific sensor; This results from the location of the pulse source, in particular from the flash location, and from the sensor location a target angle. This target angle is compared with the actually measured angle, and an angle correction is derived from the difference. By cyclically repeating the process, an optimization can take place. In this case (more precise) T [ime] O [f] A [rrival] -local determinations can also be used.
Die zu korrigierenden Winkelfehler sind durch Fehler des Antennenaufbaus sowie durch Einwirkungen, wie Reflexionen oder Leitfähigkeitsgradienten der Umgebung, verursacht. Die Korrekturverfahren kompensieren den Gesamtfehler, insbesondere wenn nicht eine einzige Winkelkorrektur, sondern eine Korrekturfunktion in Abhängigkeit der Einfallswinkel ermittelt wird. Beim T[ime]O[f]A[rrival]-Verfahren sind ebenfalls die beiden vorgenannten Fehler entsprechend möglich, nämlich
- – unterschiedliche Laufzeiten der Signale in der Elektronik der einzelnen Sensorstandorte und/oder
- – umgebungsbedingte Zeitverzögerungen, wie sie zum Beispiel durch Unterschiede in der Leitfähigkeit und damit in der Signal-Ausbreitungsgeschwindigkeit oder durch Reflexionen und Überlagerungen infolge nicht-ebener Geländestrukturen auftreten können.
- - Different maturities of the signals in the electronics of the individual sensor locations and / or
- Ambient time delays, such as those that may occur due to differences in conductivity and thus signal propagation speed, or reflections and overlaps due to non-planar terrain structures.
Bislang sind hierzu keine der D[irection]F[inding]-Korrektur entsprechenden Korrekturverfahren für die T[ime]O[f]A[rrival]-Methode bekannt.So far, no correction methods for the T [ime] O [f] A [rrival] method are known which correspond to the D [irection] F [inding] correction.
Aufgrund der beschriebenen Problematik soll das System der eingangs genannten Art sowie das Verfahren der eingangs genannten Art so weiterentwickelt werden, dass Fehler bei der Ermittlung des jeweiligen zeitlichen Verlaufs, insbesondere der jeweiligen Ankunftszeit und/oder der jeweiligen Signallaufzeit, der erfassten Signale minimiert werden.Due to the problem described, the system of the type mentioned and the method of the type mentioned is to be further developed so that errors in the determination of the respective time course, in particular the respective arrival time and / or the respective signal propagation time, the detected signals are minimized.
Diese Problemstellung wird durch ein System sowie durch ein Verfahren gelöst, bei dem mindestens eine der Messstationen oder Sensor(station)en justiert und/oder geeicht wird, wobei dieses Justieren und/oder dieses Eichen anstelle des oder ergänzend
- – zum Lokalisieren der Höhe, insbesondere der Emissionshöhe bzw. der Sendehöhe, der Impulsquelle und/oder
- – zum Bestimmen der Direktionalität, insbesondere des räumlichen Richtungsverlaufs, der Impulsabgabe/-aussendung natürlichen und/oder nichtnatürlichen Ursprungs, insbesondere des Blitzes, der Ladungsabgabe, der Ladungsaussendung oder dergleichen, erfolgt.
- For locating the altitude, in particular the emission level or the transmission altitude, the pulse source and / or
- - For determining the directionality, in particular the spatial direction course, the impulse delivery / -auss natural and / or unnatural origin, in particular the flash, the charge delivery, the charge emission or the like, takes place.
Dieses Eichkorrektur- und/oder Justierverfahren kann insbesondere zur Optimierung und/oder zur Korrektur der T[ime]O[f]A[rrival]-Technik eingesetzt werden, denn es bietet einen wesentlichen Vorteil hinsichtlich der Erzielung verbesserter Zeitmarken bzw. Zeitmarkierungen. Mittels dieses Eich- und/oder Justierverfahrens können sowohl 2D-Ortspeilungen als auch 3D-Höhenpeilungen von Blitzentladungen mit verbesserter Genauigkeit ausgeführt werden.This calibration correction and / or adjustment method can be used in particular for optimizing and / or correcting the T [ime] O [f] A [rrival] technique, since it offers a significant advantage with regard to the achievement of improved time stamps or time markings. By means of this calibration and / or adjustment method, both 2D spatial bearings and 3D height bearings of lightning discharges can be performed with improved accuracy.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform wird zunächst die Position, insbesondere der Ort und/oder die Höhe, der Impulsquelle lokalisiert, indem unter Ausschluss der zu justierenden und/oder zu eichenden Messstation aus dem ermittelten jeweiligen zeitlichen Verlauf, insbesondere aus der ermittelten jeweiligen Ankunftszeit, der jeweilige Laufzeitunterschied von Impulsen derselben Impulsquelle zur jeweiligen Messstation ermittelt wird.In an advantageous embodiment, first the position, in particular the location and / or the height, of the pulse source is localized by excluding the to be adjusted and / or calibrated measuring station from the determined respective time profile, in particular from the determined respective arrival time, the respective Difference in the transit time of pulses of the same pulse source to the respective measuring station is determined.
Des Weiteren wird der jeweilige zeitliche Verlauf, insbesondere die jeweilige Ankunftszeit, der von der lokalisierten Impulsquelle stammenden und an der zu justierenden und/oder zu eichenden Messstation erfassten Signale berechnet.Furthermore, the respective time profile, in particular the respective arrival time, of the signals originating from the localized pulse source and detected at the measuring station to be adjusted and / or calibrated is calculated.
Darauf aufbauend wird die Differenz zwischen dem berechneten jeweiligen zeitlichen Verlauf, insbesondere der berechneten jeweiligen Ankunftszeit, und dem ermittelten jeweiligen zeitlichen Verlauf, insbesondere der ermittelten jeweiligen Ankunftszeit, der von der lokalisierten Impulsquelle stammenden und an der zu justierenden und/oder zu eichenden Messstation erfassten Signale ermittelt und in statistisch aussagekräftiger Weise aufbereitet. Erforderlichenfalls wird schließlich aufgrund der ermittelten jeweiligen Differenz mindestens ein Zeitkorrekturterm, insbesondere für spätere Lokalisierungen und/oder für spätere Ortungen, ermittelt und die zu justierende und/oder zu eichende Messstation mittels dieses ermittelten Zeitkorrekturterms justiert und/oder geeicht.Based on this, the difference between the calculated respective time profile, in particular the calculated respective arrival time, and the ascertained respective time profile, in particular of the determined respective arrival time, of the signals originating from the localized pulse source and detected at the measuring station to be calibrated and / or calibrated determined and processed in a statistically meaningful way. If necessary, at least one time correction term, in particular for later localizations and / or for later localizations, is determined on the basis of the determined respective difference and the measuring station to be adjusted and / or calibrated is adjusted and / or calibrated by means of this determined time correction term.
Das vorliegende Justier- und/oder Eichverfahren basiert in erfindungswesentlicher Weise darauf, dass die Signalanalyse in der Zentralstation die Erfassung der Verteilung von Zeitabweichungen zwischen gemessener Signal-Ankunftszeit und aufgrund der erfolgten Peilung elektromagnetischer Strahlung, insbesondere der erfolgten Blitzpeilung, errechneter Ankunftszeit in statistisch aussagekräftiger Weise aufbereitet, um aus der Form der ermittelten Verteilung die ordnungsgemäße technische Zeitbehandlung der Signallaufzeiten zu prüfen und gegebenenfalls nachzujustieren. Nach Ausführung dieses Prüf- und Justierverfahrens ist eine optimale Nutzung der Laufzeitunterschiede zur Höhenpeilung gewährleistet.The present adjustment and / or calibration method is based on essential to the fact that the signal analysis in the central station, the detection of the distribution of time deviations between measured signal arrival time and due to the successful bearing of electromagnetic radiation, in particular the flash bearing, calculated arrival time in a statistically meaningful manner from the form of the determined distribution to check the proper technical time management of the signal propagation times and readjust if necessary. After carrying out this test and adjustment procedure, an optimal use of the transit time differences for height bearing is guaranteed.
Das vorliegende System wie auch das vorliegende Verfahren betrifft schließlich die Verwendung mindestens eines Systems gemäß der vorstehend dargelegten Art und/oder eines Verfahrens gemäß der vorstehend dargelegten Art zur Lokalisierung
- – der Höhe der Impulsquelle, insbesondere der Emissionshöhe bzw. der Sendehöhe, und/oder
- – der Direktionalität, insbesondere des räumlichen Richtungsverlaufs, der durch die Impulsquelle bewirkten Impulsabgabe oder Impulsaussendung; insbesondere kann System wie auch das vorliegende Verfahren bei der genauen sowie zuverlässigen Abgrenzung von Impulsabgaben oder Impulsaussendungen, zum Beispiel von Entladungen, innerhalb einer Gewitterwolke (sogenannte I[ntra]C[loud]-Blitze) und/oder zwischen mindestens zwei Gewitterwolken (sogenannte C[loud]C[loud]-Blitze), gegenüber Impulsabgaben oder Impulsaussendungen, zum Beispiel Entladungen, zwischen Wolke und Erde (sogenannte C[loud]G[round]-Blitze) eingesetzt werden, was wiederum eine im Vergleich zum Stand der Technik zuverlässige Erstellung von Impulsdichtekarten, zum Beispiel von Blitzdichtekarten, ermöglicht.
- The height of the pulse source, in particular the emission level or the send height, and / or
- The directionality, in particular the spatial direction, of the pulse output or pulse emission caused by the pulse source; In particular, the system as well as the present method can be used for the accurate and reliable demarcation of pulse outputs, for example discharges, within a storm cloud (so-called I [ntra] C [loud] flashes) and / or between at least two storm clouds (so-called C [loud] C [loud] flashes) are used against pulse outputs or pulse transmissions, for example discharges, between cloud and earth (so-called C [loud] G [round] flashes), which in turn is a reliable one compared to the prior art Creation of impulse density maps, for example of flash density maps.
Das System gemäß der vorstehend dargelegten Art und/oder das Verfahren gemäß der vorstehend dargelegten Art kann zur Eichung und/oder zur Justierung mindestens einer Mess- oder Sensorstation in Netzwerken zur Blitzortung eingesetzt werden.The system of the kind set forth above and / or the method of the kind set forth above may be used to calibrate and / or adjust at least one measuring or sensing station in lightning detection networks.
Unabhängig hiervon oder in Verbindung hiermit kann das System gemäß der vorstehend dargelegten Art und/oder das Verfahren gemäß der vorstehend dargelegten Art im Echtzeit- oder Kurzfristbereich
- – zur Vorhersage und zur Lokalisation, insbesondere zur Früherkennung, von klimatologischen und/oder meteorologischen Vorgängen, wie etwa von Blitzschlag, von (Extrem-)Niederschlag, von Gewittern, von Hagel, von Orkanen, von (Stark-)Regen, von Sturm, von Unwettern, von Wind oder von anderen besonderen klimatologischen und/oder meteorologischen Ereignissen,
- – zur dreidimensionalen Ortung von Impulsquellen, zum Beispiel von Blitzen, unter Einbeziehung schwacher Signale zum Optimieren der Vorhersage und Lokalisation, insbesondere der Früherkennung, von Gewitterzellen,
- – zur Erkennung von Signalherden zur Vorhersage und Lokalisation, insbesondere zur Früherkennung, von Gewitterzellen,
- – zur Analyse von Gruppen der Daten und Informationen zur Charakterisierung meteorologischer Klassen,
- – zur Extrapolation von räumlichen Zug bahnen erkannter Gewitterherde und/oder
- – zur Gewinnung biometeorologischer Informationenverwendet werden.
- - for prediction and localization, in particular for early detection, of climatological and / or meteorological processes, such as lightning, extreme precipitation, thunderstorms, hail, hurricanes, (heavy) rain, storm, from severe weather, wind or other special climatic and / or meteorological events,
- For the three-dimensional location of pulse sources, for example of lightning, using weak signals to optimize the prediction and localization, in particular the early detection, of thunderstorm cells,
- For detecting signal sources for prediction and localization, in particular for the early detection of thunderstorm cells,
- - for the analysis of groups of data and information for the characterization of meteorological classes,
- - For extrapolation of spatial train tracks detected thunderstorms and / or
- - be used to obtain biometeorological information.
Ausführungsbeispielembodiment
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Wie bereits vorstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird einerseits auf die den unabhängigen Ansprüchen 1 und 7 nachgeordneten Unteransprüche verwiesen, andererseits werden weitere Ausgestaltungen, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung nachstehend anhand des durch die
Es zeigt:It shows:
Gleiche oder ähnliche Ausgestaltungen, Elemente oder Merkmale sind in den
Bester Weg zur Ausführung der ErfindungBest way to carry out the invention
In
- – sowohl zur Charakterisierung von nichtnatürlicher Strahlung, zum Beispiel
- – von mittels eines Senders K eines Flugzeugs M gesendeten Signalen oder
- – von Mobilfunksignalen,
- – als auch zur Charakterisierung von natürlicher Strahlung, zum Beispiel von Blitzentladungen P,
- - both for the characterization of non-natural radiation, for example
- From signals sent by means of a transmitter K of an aircraft M or
- - of mobile radio signals,
- - as well as for the characterization of natural radiation, for example of lightning discharges P,
Da die der Messung derartiger Impulsabgaben bzw. Ladungsaussendungen (Ladungsabgaben) zugrunde liegenden Verfahrensprinzipien für die aus Impulsquellen nichtnatürlichen Ursprungs stammende elektromagnetische Strahlung und für die aus Impulsquellen natürlichen Ursprungs stammende elektromagnetische Strahlung gleich bzw. zumindest analog sind, wird das System
Das anhand der
Wie der Darstellung der
Hierbei ist aus
Die im Gehäuse der Messstation
Mittels des rauscharmen Verstärkers
Bei Signalen mit großer Amplitude und mit einfacher, ungestörter Form ist die Ermittlung einer charakteristischen Ankunftszeit relativ leicht zu bewerkstelligen. Konventionelle Systeme gemäß dem Stand der Technik beziehen sich in ihrer Anwendung lediglich auf solche Fälle glatter Kurvenformen und suchen nur das Maximum des jeweiligen Signals.In the case of signals with a large amplitude and with a simple, undisturbed form, the determination of a characteristic arrival time is relatively easy to accomplish. Conventional systems according to the prior art relate in their application only to such cases smooth waveforms and seek only the maximum of the respective signal.
Die in der Praxis an den Sensoren
- – klein,
- – mit eigenen, oft komplexen und unregelmäßigen Strukturen behaftet und
- – von Rauschanteilen überlagert.
- - small,
- - Afflicted with its own, often complex and irregular structures and
- - superimposed by noise.
Damit wird es schwieriger, eine klare Zeitmarkierung zu erhalten, insbesondere wenn das Signal S bzw. S* schwach ist und nahe der unteren Nachweisschwelle liegt.This makes it more difficult to obtain a clear timestamp, especially if the signal S or S * is weak and is close to the lower detection threshold.
Insbesondere führt dann das Suchen nach dem (einzigen) absoluten Signalmaximum bei verschiedenen Sensoren konventionellerweise zu Ungenauigkeiten, die unabhängig von der Nutzung genauester Zeitnormale, wie zum Beispiel der G[lobal]P[ositioning]S[ystem]-Methode, meist deutlich über einer Mikrosekunde liegen. In nicht seltenen Fällen führt die Schwierigkeit bzw. Ungenauigkeit einer herkömmlichen Maximumsfindung letztlich zur Verwerfung des gesamten Signals.In particular, then, searching for the (single) absolute signal maximum in different sensors conventionally leads to inaccuracies which, regardless of the use of the most accurate time normals, such as the G [lobal] P [ositioning] S [ystem] method, usually clearly above one Microsecond lie. In rare cases, the difficulty or inaccuracy of a conventional maximum finding ultimately leads to the rejection of the entire signal.
Zur Eliminierung der vorgenannten Probleme werden beim System
Die entsprechenden Algorithmen basieren im Wesentlichen auf Standardverfahren, sind jedoch
- – in der Art der Anwendung auf die speziellen Verhältnisse des
Systems 100 adaptiert und - – mathematisch auf kurze Rechenzeit optimiert.
- - in the way of application on special conditions of
system 100 adapted and - - Optimized mathematically for short computing time.
Damit wird es möglich, auch schwache, unregelmäßige und verrauschte Signale noch mit ausreichender Zeitgenauigkeit zu markieren.This makes it possible to mark even weak, irregular and noisy signals with sufficient time accuracy.
Des Weiteren wird beim System
Im Hinblick auf die Stationselektronik
In diesem Zusammenhang ist zu bedenken, dass konventionellerweise für das Sensorsignal nur eine Zeitmarke zur Verfügung steht, so dass im Stand der Technik eine (ungewollte) Einbeziehung von zeitgleichen Störsignalen auftreten kann.In this context, it should be considered that conventionally only one time mark is available for the sensor signal, so that in the prior art an (unwanted) inclusion of simultaneous interference signals can occur.
Zur Vermeidung diese Nachteils sind die Analyseeigenschaften der zentralen Auswertung im Hinblick auf das Glättungs- und Optimierungsverfahren so ausgelegt, dass die gegebenenfalls vorhandenen Mehrfachinformationen in Form von Zeitstrukturen bei den einzelnen Sensorsignalen, das heißt innerhalb einer zum gleichen Blitz gehörenden Signalgruppe, aufgrund der genauen Zeiterfassung und -markierung miteinander hinreichend verträglich sind.To avoid this disadvantage, the analysis properties of the central evaluation with regard to the smoothing and optimization method are designed so that the possibly existing multiple information in the form of time structures in the individual sensor signals, that is within a signal group belonging to the same flash, due to the accurate time recording and marking are sufficiently compatible with each other.
Durch den systemgemäß bevorzugten Einsatz mehrfacher Zeitmarken und/oder mehrfacher Zeitstrukturen wird
- – die Genauigkeit der Signalzeit-Markierung erhöht und
- – die Wahrscheinlichkeit eines (unerwünschten) Einbezugs eines Störsignals, zum Beispiel technischen Ursprungs mit anderen Zeitstrukturen, erheblich verringert, so dass die sich anschließende Analyse zu keiner Fehlpeilung führt.
- - Increases the accuracy of the signal time marker and
- - Significantly reduces the probability of (unwanted) inclusion of an interference signal, for example of technical origin with other time structures, so that the subsequent analysis does not lead to a mis-bearing.
Ausgehend von der Speicheranordnung
In
Das als Stationselektronik ausgebildete erste Aufzeichnungssystem
Ist die spezifische Triggerbedingung für eine Komponente des Signals S bzw. S* erfüllt, wird die GPS-Ereigniszeit in einem Hardwareregister eingefroren. Nach Beendigung der Digitalisierung wird aus dem Verhältnis der zeitabhängigen Magnetfeld-Verläufe der magnetische Feldvektor berechnet und dessen zeitabhängiger Betrag, das heißt die aktuelle Sferics-Lage, auf einem Bildschirm oder Monitor
Mit einer Unsicherheit von 180 Grad gibt der magnetische Feldvektor die Einfallsrichtung des Signals S bzw. S* an. Steht auch der zeitliche Verlauf der elektrischen Feldamplitude zur Verfügung, kann die Einfallsrichtung relativ genau bestimmt werden. Diese Einfallsrichtung wird zusammen mit dem Triggerzeitpunkt und dem zeitlichen Verlauf des Magnetfeldbetrags auf dem zentralen Datenserver
Für Belange der Blitzforschung anhand von Messanordnungen im V[ery]L[ow]F[requency]-Bereich (sogenannte angewandte Sferics-Forschung) ist an der Zentralstation
- – für ein Zeitintervall von 512 Mikrosekunden sowie
- – für ein Zeitintervall von 655 Millisekunden
- - for a time interval of 512 microseconds as well
- - for a time interval of 655 milliseconds
Mit diesem zweiten Aufzeichnungssystem
Die Empfindlichkeit kann wegen der im Allgemeinen starken Signale S bzw. S* reduziert werden, so dass sich bei der zweiten Aufzeichnungseinheit
Das zweite Aufzeichnungssystem
Mittels der Kommunikationseinheit
Zudem werden mittels der Kommunikationseinheit
Um die gewonnenen Sferics-Daten auf Korrelationen mit meteorologischen Parametern hin untersuchen zu können, sind Wetter-Informationen Q erforderlich. Hierfür stehen im Wesentlichen zwei Quellen zur Verfügung, nämlich
- – ein Meteosat-
Empfänger 16 , der stets die aktuellen Satellitenbilder anzeigt und archiviert, sowie - – die
Mailbox 18 eines Wetterdienstes, die per Wählleitung den Zugriff auf Bodenwetterkarten, auf Radarwetterkarten oder auf dergleichen ermöglicht.
- - a
Meteosat receiver 16 who always displays and archives the current satellite imagery, as well - - the mailbox
18 a weather service that allows dial-up access to ground weather maps, on radar weather maps or the like.
Mittels eines Bildschirms oder Monitors werden somit Satellitenbilder, die Bodenwetterkarten, die Radarwetterkarten und dergleichen online dargestellt (= Bezugszeichen
Die erfindungswesentlichen Funktionen der Zentralstation
- – die von
den jeweiligen Messstationen 20 bzw.20* übermittelten Daten und Informationen D bzw. D*, insbesondere auch in hohen Raten und/oder insbesondere auch ohne zeitlichen Verlust, auszuwerten und - – abgestufte und/oder vollautomatische Warnungen vor klimatologischen und/oder meteorologischen Vorgängen, insbesondere vor Gewittern, abzugeben.
- - that of the respective measuring
stations 20 respectively.20 * transmitted data and information D or D *, especially in high rates and / or in particular without loss of time to evaluate, and - - deliver graded and / or fully automatic warnings of climatological and / or meteorological processes, in particular thunderstorms.
Bei dem Blitzortungssystem
Die Sensoren für die V[ery]L[ow]F[requency]-Strahlung von Blitzen sind zwei einfache, gekreuzt angeordnete Spulen, mit denen infolge geeigneter Systemdimensionierung der magnetische Fluss B(t) aus den beiden Komponenten Bx(t) und By(t) des Blitzfeldes gemessen wird (vgl.
The sensors for the V [ery] L [ow] F [requency] radiation of flashes are two simple, crossed coils, with which the magnetic flux B (t) from the two components B x (t) and B y (t) of the flash field is measured (see.
Eine hinreichend getreue Abbildung des zeitlichen Verlaufs der eintreffenden Impulse ist im Bereich von knapp zehn Kilohertz bis etwa vierhundert Kilohertz gegeben. Aus dem Verhältnis der magnetischen Feldkomponenten Bx und By lässt sich die Einfallsrichtung der Blitzstrahlung ermitteln. Der VLF-Sensor arbeitet passiv und benötigt keine Stromversorgung.A sufficiently faithful representation of the temporal course of the incoming impulses is given in the range of almost ten kilohertz to about four hundred kilohertz. From the ratio of the magnetic field components B x and B y , the direction of incidence of the lightning radiation can be determined. The VLF sensor works passively and does not require power.
Zur Zeitmarkierung wird ein handelsüblicher, separat montierter G[lobal]P[ositioning]S[ystem]-Empfänger verwendet, mit dem die Signal-Ankunftszeit auf etwa eine Mikrosekunde genau festgelegt werden kann; diese Genauigkeit ist für die Funktionsfähigkeit und für die Effizienz der Peilungen von Bedeutung.For time stamping, a commercially available, separately mounted G [lobal] P [ositioning] S [ystem] receiver is used to accurately determine the signal arrival time to within about one microsecond; This accuracy is important for the functionality and efficiency of the bearings.
Die Sensordaten laufen in einen handelsüblichen P[ersonal]C[omputer] mit speziell entwickelter Modulkarte zur Digitalisierung und Vorverarbeitung.The sensor data runs in a commercially available P ersonal computer with a specially developed module card for digitization and preprocessing.
Die Abtastrate zur Signaldigitalisierung ist auf ein Megahertz eingestellt. Einlaufende Signale werden kontinuierlich erfasst und parallel analysiert, so dass auch bei extrem hohen Raten kein Verlust entsteht. Die maximale Verarbeitungsrate liegt bei über tausend Signalen pro Sekunde.The sampling rate for signal digitization is set to one megahertz. Incoming signals are recorded continuously and analyzed in parallel, so that no loss occurs even at extremely high rates. The maximum processing rate is over a thousand signals per second.
Durch kontinuierliches Abtasten und Nutzen eines parallelen Verarbeitungskreises misst der Sensor
Da das System
- – Signale können zeitlich früher gemessen werden, wodurch eine zuverlässige Gewitter-Frühwarnung ermöglicht wird; und
- – die Form von Gewitterzellen wird wesentlich besser sichtbar, weil aufgrund der hohen Empfindlichkeit um etwa eine Größenordnung (= um etwa Faktor zehn) mehr Signale erfasst werden als in Systemen gemäß dem Stand der Technik. Damit werden die Zellenkonturen besser sichtbar, und eine neuartige meteorologische Nutzung der Daten wird ermöglicht. Insbesondere eignen sich diese Daten wegen ihrer großen Anzahl zur Einspeisung in andere meteorologische Anwendungen, wie zum Beispiel für eine Veredlung und Vorhersagenutzung mittels der M[odel]O[utput]S[tatistics]-Technik.
- - Signals can be measured earlier in time, allowing a reliable lightning early warning; and
- - The shape of thunderstorm cells is much more visible, because due to the high sensitivity by about an order of magnitude (= by about a factor of ten) more signals are detected than in systems according to the state of the art. This makes the cell contours more visible and allows a novel meteorological use of the data. In particular, because of their large number, these data are suitable for feeding into other meteorological applications, such as for example for refining and forecasting using the M [odel] O [utput] S tatistics technique.
Zu jedem Signal wird ein kompaktes Datenpaket gebildet und per Telefonleitung an eine Zentrale übertragen; aufgrund der D[aten]F[ern]Ü[bertragung]-Bandbreite lassen sich nur etwa einhundert Signale pro Sekunde tatsächlich übertragen, was sich jedoch auch bei stärksten Gewittern als ausreichend erweist, so dass Bufferfunktionen nur selten benötigt werden.For each signal, a compact data packet is formed and transmitted via telephone line to a central office; Due to the bandwidth of the transmission bandwidth, only about 100 signals per second can actually be transmitted, which proves to be sufficient even in the case of strong thunderstorms, so that buffer functions are rarely needed.
Die gesamten digitalisierten Impulse Bx(t) und By(t) werden an jeder Station archiviert und in aktivitätsarmen Zeiten, das heißt meist nachts abgerufen, um zu Forschungs- und Entwicklungszwecken nutzbar zu sein.The entire digitized pulses B x (t) and B y (t) are archived at each station and retrieved at low-activity times, ie usually at night, in order to be usable for research and development purposes.
Die Sensoren
Der Zentralrechner ist ebenfalls ein üblicher P[ersonal]C[omputer], der mit Software zur Datenorganisation und zur Blitzpeilung ausgerüstet und für den kontinuierlichen Betrieb ausgelegt ist. Auch größere Netze lassen sich aufgrund der effizient gestalteten Betriebsmodi und Softwarelösungen erfindungsgemäß mit einem geeignet ausgestatteten P[ersonal]C[omputer] betreiben, so dass für die Anwendung der vorliegenden Erfindung keine neuen und/oder aufwändigen Zusatzmaßnahmen erforderlich sind.The central computer is also a common computer [omputer] equipped with software for data organization and flash bearing and designed for continuous operation. Even larger networks can be operated according to the invention with a suitably equipped P [ersonal] C [computer] due to the efficiently designed operating modes and software solutions, so that no new and / or complex additional measures are required for the application of the present invention.
Auf der Basis des anhand
- – die Emissionshöhe H und/oder
- – die Direktionalität C, das heißt der räumliche Richtungsverlauf
- - the emission level H and / or
- - the directionality C, that is the spatial direction course
Es handelt sich um etwas über 14.000 Blitze einschließlich Teilblitzen, die an mindestens drei Sensoren
Die in den
Die zur Diskriminierung von CG- und IC-Blitzen vorliegende Literatur ist widersprüchlich und soll hier nicht vertieft werden. Diese Frage kann jedenfalls noch als offen betrachtet werden, wobei von noch andauernden Impulsform-Analysen mit verbesserter Zeitauflösung mehr Klarheit erwartet werden kann.The literature on discrimination of CG and IC flashes is contradictory and will not be discussed here. In any case, this question can still be regarded as open, whereby more clarity can be expected from still ongoing waveform analyzes with improved time resolution.
Demzufolge wird das 2D-Netz erweitert, nämlich in Form der Nutzung dieses 2D-Netzes als Pseudo-3D-Netz, wodurch eine präzise Erfassung der Signalzeiten, insbesondere der Signallaufzeiten, an den einzelnen Sensorstationen
Auf diese Weise eröffnet sich die Möglichkeit, dreidimensionale Peilungen bei hinreichend stationsnahen Blitzen auszuführen. Das Schema zeigt
So ist in
- – für eine Emissionshöhe H von fünf Kilometern (= unterste Kurve),
- – für eine
7,5 Kilometern (= zweitunterste Kurve),Emissionshöhe H von - – für eine Emissionshöhe H von zehn Kilometern (= mittlere Kurve),
- – für eine
Emissionshöhe H von 12,5 Kilometern (= zweitoberste Kurve) und - – für eine Emissionshöhe H von fünfzehn Kilometern (= oberste Kurve).
So is in
- - for an emission height H of five kilometers (= lowest curve),
- - for an emission height H of 7.5 kilometers (= second lowest curve),
- For an emission height H of ten kilometers (= mean curve),
- - for an emission height H of 12.5 kilometers (= second highest curve) and
- - for an emission height H of fifteen kilometers (= top curve).
Hierbei haben mindestens drei weitere Messstationen die Blitze erfasst. Insgesamt wurden im gleichen Zeitraum 6.929 Blitze an vier oder mehr Messstationen gepeilt; hinzu kommen etwa 7.800 Peilungen mit drei Messstationen, die nur unter zusätzlicher Verwendung von Peilrichtungen 3D-Peilungen erlauben.At least three other measuring stations have detected the flashes. In total, 6,929 lightning strokes were taken at four or more stations during the same period; In addition, there are about 7,800 bearings with three measuring stations that allow 3D bearings only with the additional use of bearing directions.
In den
- – n einer Höhe H zwischen sechs und sieben Kilometern (vgl.
7C ) bzw. - – in einer Höhe H von etwa zehn Kilometern (vgl.
7D ).
- - n a height H between six and seven kilometers (cf.
7C ) respectively. - - At an altitude H of about ten kilometers (cf.
7D ).
Die dargestellten Daten enthalten keine Bodenblitze.The data shown does not include ground flashes.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist bei einer unterstellten Zeitauflösung der Blitz-Ankunftszeiten von etwa einer Mikrosekunde eine Höhenpeilung zumindest im Entfernungsbereich von bis zu etwa hundert Kilometern möglich.According to the present invention, assuming a time resolution of the flash arrival times of about one microsecond, a height bearing at least in the distance range of up to about one hundred kilometers is possible.
Die Ergebnisse der darauf basierenden Auswertungen sind in den
Die vorliegende Methode gemäß sowie ihre Ergebnisse sollen nun näher hinterfragt werden, um die Relevanz und die Verlässlichkeit besser beurteilen zu können. Wird das Verfahren anhand eines konkreten Beispiels veranschaulicht, das für die hier vorgestellten Höhenpeilungen typisch ist, so kann ein ungewöhnlich starker Blitz herangezogen werden, dem 251 Millisekunden später eine einzige schwächere Entladung am gleichen Ort folgt.The present method and its results are now to be examined more closely in order to better assess the relevance and reliability. If the method is illustrated by a concrete example, which is typical for the height estimates presented here, then an unusually strong flash can be used, followed 251 milliseconds later by a single weaker discharge at the same location.
Tabelle 1 listet die wesentlichen Daten des Peilverfahrens zu diesem Ereignis auf, nämlich die Peildaten des Hauptblitzes mit dem um 251 Millisekunden späteren Folgeblitz:
Die angegebenen Abweichungen gelten relativ zur erstgenannten Peilung; die innere Qualität des mit Daten von sechs Stationen erzielten Peilergebnisses gemäß der vorliegenden Erfindung verbessert sich beim Übergang von der zweidimensionalen Peilung zur dreidimensionalen Peilung ganz erheblich.The specified deviations apply relative to the former bearing; The intrinsic quality of the bearing results obtained with data from six stations according to the present invention improves quite considerably in the transition from the two-dimensional bearing to the three-dimensional bearing.
Wenn die Blitzortung ohne Berücksichtigung von Emissionshöhen erfolgt, ergibt sich eine von der Qualität her zwar akzeptable Ortung, jedoch ist der Peilfehler höher, als im Mittel zu erwarten wäre.If the lightning location takes place without consideration of emission levels, the result is an acceptable location, but the bearing error is higher than would be expected on average.
Eine Inspektion der an allen sechs Stationen des Netzes erfassten Blitzzeiten erweist, dass die Ankunftszeit an der betreffenden Station gegenüber der aus dem Gesamtnetz erwarteten Zeit und entgegen den entsprechenden Zeitfehlern der anderen fünf Stationen atypisch um knapp sieben Mikrosekunden verzögert ist. An inspection of the flash times recorded at all six stations of the network proves that the time of arrival at the station in question is atypical by almost seven microseconds compared to the time expected from the whole network and against the corresponding time errors of the other five stations.
Wird nun erfindungsgemäß der 3D-Effekt zugeschaltet und eine neue Peilung mit der Blitzhöhe als zusätzlichem, zu optimierenden Parameter ausgeführt, resultiert ein wesentlich stimmigeres Gesamtergebnis. Die neu eingeführte und optimierte Emissionshöhe ergibt sich zu 15,7 Kilometern mit einem statistischen Fehler von 3,5 Kilometern. Wird der völlig unabhängige Folgeblitz ebenso analysiert, erhält man einen nahezu identischen Blitzort mit einer Emissionshöhe von 16,4 +/– 3,5 Kilometern.Now, according to the invention, the 3D effect switched on and executed a new bearing with the flash height as an additional parameter to be optimized, resulting in a much more coherent overall result. The newly introduced and optimized emission level is 15.7 kilometers with a statistical error of 3.5 kilometers. If the completely independent follow-up stream is analyzed as well, you get a nearly identical flash point with an emission height of 16.4 +/- 3.5 kilometers.
Die geschilderte Verfahrensweise wird auf sämtliche betrachteten Daten angewandt und liefert jeweils vergleichbare Ergebnisse. Um die 3D-Peilung möglichst zuverlässig zu gestalten, besteht die Möglichkeit, nur solche Fälle heranzuziehen, in denen Entladungen an mindestens vier Sensorstationen gemessen werden.The described procedure is applied to all data considered and provides comparable results. To make the 3D bearing as reliable as possible, it is possible to use only those cases in which discharges are measured at at least four sensor stations.
Erfindungsgemäß ist es aber auch möglich, mittels schwächerer, an nur drei Stationen erfasster Signale bei Hinzunahme der Einfallsrichtungen in die Optimierungsprozedur eine 3D-Peilung mit hinreichender Genauigkeit durchzuführen.According to the invention, however, it is also possible to carry out a 3D bearing with sufficient accuracy by means of weaker signals detected at only three stations when the directions of incidence in the optimization procedure are added.
Tabelle 2 zeigt die Anzahl der im Umkreis um eine Messstation, zum Beispiel um die Zentralstation
Ein Befund lässt sich insofern erkennen, als sich von den im Netz registrierten Signalen nur ein markanter Anteil höher gelegenen Emissionsorten zuordnen lässt.A finding can be seen insofar as only a significant proportion of higher-lying emission locations can be assigned to the signals registered in the network.
Mit dem vorliegenden System
So ist in
Die in
- – für den Distanzbereich bis zwanzig Kilometer (= Wolkeblitzkurve mit dem niedrigsten Peak in
8 ), - – für den Distanzbereich zwischen zwanzig und vierzig Kilometern (= Wolkeblitzkurve mit dem drittniedrigsten Peak in
8 ), - – für den Distanzbereich zwischen vierzig und sechzig Kilometern (= Wolkeblitzkurve mit dem viertniedrigsten Peak in
8 ) und - – für den Distanzbereich über sechzig Kilometer (= Wolkeblitzkurve mit dem zweitniedrigsten Peak in
8 ).
- - for the distance range up to twenty kilometers (= cloud flash curve with the lowest peak in
8th ) - - for the distance range between twenty and forty kilometers (= cloud flash curve with the third lowest peak in
8th ) - - for the distance range between forty and sixty kilometers (= cloud flash curve with the fourth lowest peak in
8th ) and - - for the distance range over sixty kilometers (= cloud flash curve with the second lowest peak in
8th ).
Insgesamt ist in
Alles in allem weist das System sowie das Verfahren zur Blitzerkennung nicht nur eine erhöhte Effizienz auf, sondern bietet auch die Möglichkeit, eine dreidimensionale Unterscheidung von Entladungen innerhalb einer Wolke und Wolke-Boden-Entladungen vorzunehmen:
Während der letzten zwanzig Jahre wurden Systeme zur Blitzlokalisierung für kommerzielle Zwecke hauptsächlich in den USA, aber auch in Frankreich und in Japan entwickelt; diese Entwicklung kulminierte im Aufbau des nordamerikanischen Blitz-Nachweis-Netzwerks (N[orth]A[merican]L[ightning]D[etection]N[etwork]) im Jahr 1989. Seitdem wurden verschiedene Aufwertungen ausgeführt, und die Technik wurde in viele Länder eingeführt. All in all, the system as well as the flash detection method not only has an increased efficiency, but also offers the possibility to perform a three-dimensional distinction of discharges within a cloud and cloud-to-ground discharges:
For the past twenty years, flash-localization systems have been developed for commercial use primarily in the US, but also in France and Japan; this development culminated in the construction of the North American Lightning Detection Network (N [orth] A [merican] L [ightning] D [etection] N [etwork]) in 1989. Since then, various upgrades have been carried out, and the technique has been expanded into many Countries introduced.
Gemäß dem üblicherweise herangezogenen, eingangs diskutierten Stand der Technik
- – werden Effizienzen im Hinblick auf Blitz-Nachweise berichtet, die etwa neunzig Prozent betragen,
- – sind die erreichten Lokalisierungsgenauigkeiten besser als ein Kilometer und
- – wird die IC-CG-Unterscheidung durch Wellenform-Kriterien als nahezu perfekt bezeichnet.
- Efficiencies are reported with regard to lightning evidence, which is about ninety percent,
- - the localization accuracies achieved are better than a kilometer and
- The IC-CG distinction is called nearly perfect by waveform criteria.
Bodenblitzdichten werden aus Betriebsergebnissen berechnet und sollen wichtige Daten für Blitzschutz-Technologien darstellen.Ground flash densities are calculated from operating results and are intended to be important data for lightning protection technologies.
Für modernere Netzwerke wurde konventionellerweise die Möglichkeit einer präzisen Blitzlokalisierung vor allem mittels Messungen überprüft, die Blitze in Radiotürme beinhalteten, dennoch bleibt die Nachweiseffizienz und das Verfahren zur Unterscheidung von IC-Entladung versus CG-Entladung eine durchaus fragwürdige Angelegenheit; so wurden anfänglich Netzwerke entwickelt, die nur auf dem Boden potentiell schadensverursachende CG-Entladungen anzeigen sollten, während IC-Entladungen durch nicht detailliert veröffentlichte Methoden unterdrückt wurden.For more advanced networks, conventionally, the possibility of accurate flash localization has been checked primarily by measurements involving flashes in radio towers, yet the detection efficiency and the method of distinguishing IC discharge from CG discharge remains a questionable matter; initially, networks were developed which were only intended to indicate potential damage-causing CG discharges on the ground, while IC discharges were suppressed by methods not described in detail.
Zwar kann angeblich die Anstiegszeit und die Peak-Nulldurchgangszeit der nachgewiesenen VLF-Pulse genutzt werden; wiederholt wurden die relevanten Unterscheidungsparameter in der Vergangenheit jedoch Veränderungen unterzogen. In den letzten Jahren wurde schließlich realisiert, dass IC-Entladungen zumindest metereologisch relevant sind, und somit zeigen moderne Netzwerke auch die nachgewiesenen IC-Blitz-Ereignisse an.Although it is reported that the rise time and peak zero crossing time of the detected VLF pulses can be used; however, the relevant distinguishing parameters have been repeatedly changed in the past. In recent years, it has finally been realized that IC discharges are at least metereologically relevant, and thus modern networks also indicate the detected IC flash events.
Dementsprechend eröffnet sich eine dreidimensionale Option für die Bestimmung von Emissionshöhen sowie für eine Online-Unterscheidung von C[loud]G[round]- bzw. G[round]C[loud]-Entladungen in Abgrenzung bzw. im Vergleich zu I[ntra]C[loud]- bzw. C[loud]C[loud]-Entladungen:
Das neue, in Dauerbetrieb überführbare und zum Beispiel in Süd-Ost-Deutschland ein Gebiet von annähernd 300 Kilometern auf 400 Kilometern bedeckende Blitzortungsnetzwerk ermöglicht es, die aufgenommene Blitzaktivität insbesondere in Bezug auf das Auftreten schwerer Gewitter zu analysieren und einen Vergleich mit Daten etablierter Blitzortungsnetzwerke zu ziehen.Accordingly, a three-dimensional option for the determination of emission levels as well as for an on-line differentiation of C [loud] G [round] and G [round] C [loud] discharges in demarcation or in comparison to I [ntra] opens up. C [loud] or C [loud] C [loud] discharges:
The new, permanently operable and, for example, in South-East Germany covering an area of approximately 300 kilometers over 400 kilometers of lightning localization network makes it possible to analyze the recorded lightning activity, in particular with regard to the occurrence of severe thunderstorms and a comparison with data established lightning localization networks pull.
Die bemerkenswertesten Ergebnisse können wie folgt gefasst werden:
- – Verglichen mit konventionellen Netzwerken gemäß dem Stand der Technik zeigt das vorliegende Netzwerk bis zu einer Größenordnung mehr Entladungen an; die meisten zusätzlichen Signale weisen eine niedrigere Amplitude auf.
- – Für die Unterscheidung von Entladungen innerhalb einer Wolke (I[ntra]C[loud]) gegenüber Wolke-Boden-Entladungen (C[loud]G[round]) wird eine neue dreidimensionale Technik angewendet; dies bedeutet unter anderem, dass die konventionelle, mittels Wellenform-Kriterien bewerkstelligte Unterscheidung von IC- und CG-Entladungen zu modifizieren ist, nicht zuletzt weil die meisten lokalisierten Ereignisse Bodenblitze waren.
- – Verglichen mit dem Stand der Technik sind auch die Bodenblitzdichten einer Revision in Richtung höherer Anzahlen zu unterziehen.
- Compared with conventional prior art networks, the present network displays up to an order of magnitude more discharges; most additional signals have a lower amplitude.
- - For the differentiation of discharges within a cloud (I [ntra] C [loud]) against cloud-to-ground discharges (C [loud] G [round]), a new three-dimensional technique is applied; among other things, this means that the conventional waveform-based discrimination of IC and CG discharges needs to be modified, not least because most of the localized events were bottom flashes.
- Compared with the prior art, the bottom flash densities are also subject to a revision in the direction of higher numbers.
Das Netzwerk gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst zum Beispiel sechs Sensorstationen und ist so ausgelegt, dass es soviel aus aufkommenden Gewittern entstehende V[ery]L[ow]F[requency]-Aktivität wie möglich misst; hocheffiziente und moderne Datenverarbeitung ist in der vorliegenden Erfindung implementiert, um den metereologisch relevanten Output zu maximieren und um mögliche Chancen für bessere Daten und Informationen in Bezug auf Frühwarnzwecke zu ermitteln.The network according to the present invention includes, for example, six sensor stations and is designed to measure as much of the arising thunderstorms as possible in V [ery] L [ow] F [requency] activity; Highly efficient and advanced data processing is implemented in the present invention to maximize the metrologically relevant output and to identify potential opportunities for better data and information related to early warning purposes.
Als Ergebnis können mittels der vorliegenden Erfindung Blitzentladungen in viel größeren Mengen als erwartet gesammelt werden. Ein Vergleich mit den Daten konventioneller Netzwerke zeigt einen Überschuss von Faktor drei bis zehn, so dass eine viel bessere Erkennung von Gewitterzellen und Gewitterkonturen möglich wird. Diese Ergebnisse führen zur Frage, woher die zusätzlichen Treffer kommen, und geben zu einer detaillierteren Untersuchung der Verfahren für IC-CG-Unterscheidungen Veranlassung.As a result, by means of the present invention, lightning discharges can be collected in much larger quantities than expected. A comparison with the data of conventional networks shows a surplus of factor three to ten, so that a much better detection of thunderstorm cells and thunderstorm contours becomes possible. These results raise the question of where the additional hits come from and give rise to a more detailed investigation of the procedures for IC-CG distinctions.
Da die aus dem Stand der Technik bekannte Methode der Analyse von Wellenformkriterien hochkomplex ist, wird das unmittelbarere Verfahren der 3D-Lokalisierung angewendet, die weder irgendwelche Annahmen noch irgendwelche anzupassenden Parameter benötigt.Since the prior art method of analyzing waveform criteria is highly complex, the more immediate method of 3D localization is used, which requires neither assumptions nor any parameters to be adjusted.
Auf für den Fachmann überraschende Weise erweist sich diese Technik, die bislang in keinem anderen Netzwerk angewendet wurde, als sehr erfolgreich und erlaubt die Identifizierung von IC-Blitzen in annähernd 85 Prozent aller Fälle. Das Prinzip dieser Methode ist im Folgenden dargestellt:
Wenn ein sich ausreichend nahe an einer Entladung befindlicher Sensor ein IC-Ereignis erfasst (im Gegensatz zu einer horizontalen Ausbreitung im Falle eines CC-Gewitterschlags), erhält dieser Sensor das VLF-Signal mit einer Zeitverzögerung dT = TP – TH (vgl.
If a sensor sufficiently close to a discharge senses an IC event (as opposed to horizontal propagation in the event of a CC thunderstorm), that sensor receives the VLF signal with a time delay dT = T P -T H (see FIG.
Da die Genauigkeit von GPS-basierten Messungen der Ankunftszeiten gewöhnlich in der Größenordnung von einer Mikrosekunde oder besser liegt, ist eine 3D-Unterscheidung von IC-Blitzen möglich, solange der durchschnittliche Abstand der Netzwerksensoren vom Entladungsereignis nicht zu groß ist.Since the accuracy of GPS-based measurements of arrival times is usually on the order of one microsecond or better, 3D discrimination of IC flashes is possible as long as the average distance of the network sensors from the discharge event is not too great.
Die Anwendbarkeit der 3D-Methode auf ein vorgegebenes Netzwerk kann mittels einer Untersuchung der Verteilung der Zeitverzögerung P(dT) bestimmt werden, die vom jeweiligen Sensor erhalten wird, der zum lokalisierten Blitz am nächsten gelegen ist. In diesem Zusammenhang schließt die Lokalisierung ein, dass die Entladung bei einer ausreichenden Anzahl von Sensorstationen nachgewiesen werden muss.The applicability of the 3D method to a given network can be determined by examining the distribution of the time delay P (dT) obtained from the respective sensor closest to the localized flash. In this context, localization implies that the discharge must be detected at a sufficient number of sensor stations.
In Abwesenheit von IC-Entladungen ist P(dT) eine hochsymmetrische Verteilung, während die Existenz von nachweisbaren IC-Entladungen eine Verschiebung der P(dT)-Verteilung zu negativen Zeiten (entsprechend einer zeitlichen Verzögerung) bewirkt (vgl.
Angesichts der letzteren Gegebenheiten kann die Emissionshöhe H als zusätzlicher Parameter in den Lokalisierungsalgorithmus eingeführt werden. Die experimentellen Verteilungen p(dT) gemäß der vorliegenden Erfindung sind tatsächlich asymmetrisch und ergeben typische Ergebnisse. Die hergeleiteten Emissionshöhen von einigen Kilometern erscheinen angemessen, können nicht von CG-Entladungen resultieren und stellen demzufolge wohl IC-Entladungen dar.Given the latter facts, the emission level H can be introduced into the localization algorithm as an additional parameter. The experimental distributions p (dT) according to the present invention are indeed asymmetric and give typical results. The deduced emission levels of a few kilometers appear reasonable, can not result from CG discharges and therefore probably represent IC discharges.
In erfindungswesentlicher Weiterbildung werden Netzwerksimulationen genutzt, um die Ergebnisse gemäß der vorliegenden Erfindung zu belastbarer zu machen:
So werden berechnete Ankunftszeiten statistisch deformiert, bis die Genauigkeit der gesamten Lokalisierung für das Netzwerk zu tatsächlichen Ergebnissen passt und somit zwischen einem halben Kilometer im Zentrum und einem Kilometer in der Nähe der Netzwerkgrenze liegt.In a refinement essential to the invention, network simulations are used to make the results more resilient in accordance with the present invention:
Thus, calculated arrival times are statistically deformed until the accuracy of the entire localization for the network matches actual results, and thus lies between half a kilometer in the center and one kilometer near the network boundary.
Wenn keine IC-Entladungen angenommen werden, ergeben die künstlichen Zeitverschiebungen in etwa fünfzehn Prozent ”falsche” IC-Identifizierungen, während unter der Annahme von einhundert Prozent IC-Entladungen mit der angenommenen Höhenverteilung 85 Prozent erfasst werden.If no IC discharges are accepted, the artificial time shifts give about fifteen percent "false" IC identifications, while assuming one hundred percent IC discharges with the assumed height distribution, 85 percent is detected.
Eine Untersuchung der tatsächlichen Datenbeispielfälle macht deutlich, dass weniger als dreißig Prozent der Ereignisse IC-Entladungen zugeordnet werden können. Als Konsequenz muss dargelegt werden, dass der größte Teil der zusätzlich erfassten Ereignisse CG-Entladungen sind.An examination of the actual data sample cases shows that fewer than thirty percent of the events can be attributed to IC discharges. As a consequence, it has to be stated that most of the additionally recorded events are CG discharges.
Verschiedene Folgerungen der Ergebnisse gemäß der vorliegenden Erfindung bedürfen einer weiteren Beachtung:
- – Eine neue Technik für IC-CG-Unterscheidungen, die im Prinzip jedes moderne Lokalisierungsnetzwerk bewerkstelligen kann und die neuen Input in Bezug auf die Wolkenphysikforschung gibt, wird zur Verfügung gestellt.
- – Die Ergebnisse gemäß der vorliegenden Erfindung können genutzt werden, um die vorstehend erwähnten, an sich bekannten Wellenform-Kriterien zu überprüfen und zu verbessern; es steht zu erwarten, dass eine Kombination der beiden Verfahren eine sehr zuverlässige IC-CG-Unterscheidung ergibt.
- – Das Auftreten einer großen Anzahl zusätzlicher Ereignisse erfordert eine Aktualisierung der Nachweiseffizienzen von Netzwerken.
- – Der erfindungsgemäß erhaltbare Anstieg von CG-Entladungen erfordert eine Aktualisierung der Karten von Bodenblitzdichten.
- - A new technique for IC-CG distinctions, which in principle can accomplish any modern localization network and gives new input in terms of cloud physics research, is provided.
- The results according to the present invention can be used to check and improve the above-mentioned waveform criteria known per se; It is expected that a combination of the two methods will yield a very reliable IC-CG distinction.
- - The occurrence of a large number of additional events requires updating the detection efficiencies of networks.
- The increase of CG discharges obtainable according to the invention requires an update of the maps of bottom flash densities.
Mit den Ergebnissen der vorliegenden Erfindung können die Wellenform-Kriterien auf eine viel größere Datengrundlage als zuvor hin überprüft werden; auch ist erfindungsgemäß eine Optimierung der Nachweiseffizienz, ein Vergleich mit VHF-Daten anderer hochspezialisierter 3D-Forschungssysteme und eine Untersuchung der Prozesse in Bezug auf IC-Entladungen gewährleistet. With the results of the present invention, the waveform criteria can be checked for a much larger data basis than before; Also according to the invention an optimization of the detection efficiency, a comparison with VHF data of other highly specialized 3D research systems and an investigation of the processes in relation to IC discharges is ensured.
Schließlich erlaubt die Anwendung der erfindungsgemäßen Signalanalyse die Nutzung schwacher und unregelmäßig geformter Blitzimpulse und ermöglicht in allen solchen Fällen eine hinreichend genaue Zeiterfassung. Dies führt erwiesenermaßen zu einer erheblichen Verbesserung der Nachweiseffizienz des Blitzmessnetzes sowie neben einer zuverlässigen zweidimensionalen Ortspeilung auch zu einer eindeutigen Höhenpeilung von Blitzemissionen im VLF-Bereich.Finally, the application of the signal analysis according to the invention allows the use of weak and irregularly shaped flash pulses and allows in all such cases a sufficiently accurate time recording. This has proven to significantly improve the detection efficiency of the lightning measurement network and, in addition to a reliable two-dimensional spatial bearing, also to a clear height bearing of lightning emissions in the VLF range.
In Ergänzung zu dieser zweidimensionalen Ortspeilung und/oder zu dieser dreidimensionalen Höhenpeilung bzw. Direktionalitätspeilung kann gemäß der vorliegenden Erfindung auch mindestens eine der Messstationen
Ein derartiges Eich(korrektur)verfahren weist vorteilhafterweise folgende Schritte auf:
- a) die zweidimensionale Blitzortung wird ohne Einbezug der zu eichenden
Station 20 bzw.20* ausgeführt; - b) es wird die Laufzeit vom Blitzort zur betrachteten
Station 20 bzw.20* ermittelt; - c) die so ermittelte Signal-Ankunftszeit wird mit der tatsächlich gemessenen Ankunftszeit verglichen;
- d) es wird eine Statistik über die unter Schritt c) ermittelten Zeitdifferenzen erstellt;
- e) bei korrekter Eichung sollte die Differenz den Mittelwert Null aufweisen und um Null schwanken;
- f) es stellt sich im Allgemeinen heraus, dass besagte Differenz einen Trend entweder zu positiven Werten oder zu negativen Werten aufweist; diese Differenz ist der Zeit-Korrekturterm;
- g) es ist jedoch darauf zu achten und durch geeignete Maßnahmen zu berücksichtigen, dass eine Signalverzögerung nicht durch Wolke-Wolke-Blitze verursacht wird (vgl. unten) bzw. als solche erkannt wird;
- h) bei folgenden Ortungen ist die gemittelte Differenz aus Schritt f) als Zeit-Korrektur anzubringen;
- i) die besagte Korrektur kann ebenfalls in Abhängigkeit von der Richtung zum Blitzort als Korrekturfunktion ermittelt werden, um gegebenenfalls nicht-isotrope Umgebungseffekte einzubeziehen.
- a) the two-dimensional lightning location is without involving the station to be calibrated
20 respectively.20 * performed; - b) it will be the duration of the flash to the station under
consideration 20 respectively.20 * determined; - c) the thus determined signal arrival time is compared with the actually measured arrival time;
- d) a statistic is generated on the time differences determined in step c);
- e) if correctly calibrated, the difference should be zero and fluctuate around zero;
- f) it generally turns out that said difference has a trend towards either positive values or negative values; this difference is the time correction term;
- (g) however, care should be taken and appropriate measures taken to ensure that signal delay is not caused by cloud-cloud flashes (see below) or recognized as such;
- h) in the case of subsequent location, the averaged difference from step f) is to be applied as the time correction;
- i) said correction can also be determined as a function of the direction of the flash location as a correction function, to include possibly non-isotropic environmental effects.
Als Ergebnis der Eichkorrektur bzw. (Nach-)Justierung
- – wird die zweidimensionale Ortspeilung verbessert und/oder
- – wird bei Einbezug blitznaher Sensorstation(en) die dreidimensionale Höhenpeilung hinsichtlich der Wolke-Erde-Blitz-Diskriminierung sicherer, weil noch kleinere Zeitverzögerungen als signifikant zu werten sind; die Höhenpeilung wird quantitativ verbessert, weil die ermittelten Höhen aufgrund genauerer Zeitdifferenzen ebenfalls automatisch genauer werden.
- The two-dimensional spatial bearing is improved and / or
- - When incorporating lightning-fast sensor station (s), the three-dimensional height bearing becomes safer with regard to cloud-earth-lightning discrimination, because even smaller time delays are considered to be significant; the height bearing is improved quantitatively, because the determined heights also automatically become more accurate due to more precise time differences.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 100100
- Systemsystem
- 1010
- Zentralstation oder ZentraleCentral station or central office
- 16, 1816, 18
-
Schnittstelle der Zentralstation
10 , insbesondereInterface of thecentral station 10 , especially - 1616
- Meteosat-EmpfängerMeteosat receiver
- 1818
- Mailbox eines WetterdienstesMailbox of a weather service
- 2020
- einer Impulsquelle räumlich nächstgelegene Messstation oder Sensor(station)a pulse source spatially nearest measuring station or sensor (station)
- 20*20 *
- einer Impulsquelle räumlich nicht nächstgelegene Messstation oder Sensor(station)a pulse source spatially not nearest measuring station or sensor (station)
- 2222
- Datenverarbeitungsanlage, insbesondere P[ersonal]C[omputer]Data processing system, in particular P [ersonal] C [computer]
- 3030
- Antenne, insbesondere breitbandiger AntennenkörperAntenna, in particular broadband antenna body
- 3838
- Zeitmesseinrichtung, insbesondere G[lobal]P[ositioning]S[ystem]-UhrTime measuring device, in particular G [lobal] P [ositioning] S [ystem] clock
- 4040
-
Stationselektronik der Zentralstation
10 sowie der Messstation20 ,20* , insbesondere erstes Sferics-Online-Aufzeichnungssystem der Zentralstation10 Station electronics of thecentral station 10 as well as the measuringstation 20 .20 * , in particular first Sferics online recording system of thecentral station 10 - 40'40 '
-
zweite Stationselektronik der Zentralstation
10 , insbesondere zweites Sferics-Online-Aufzeichnungssystem der Zentralstation10 second station electronics of thecentral station 10 , in particular second Sferics online recording system of thecentral station 10 - 4242
-
Verstärkereinheit der Stationselektronik
40 Amplifier unit of thestation electronics 40 - 42'42 '
-
Verstärkereinheit der Zentralstation
10 Amplifier unit of thecentral station 10 - 4444
-
Filtereinheit der Stationselektronik
40 Filter unit of thestation electronics 40 - 44'44 '
-
Filterereinheit der Zentralstation
10 Filter unit of thecentral station 10 - 4646
-
A[nalog]/D[igital]-Wandlereinheit der Stationselektronik
40 A [nalog] / D [igital] converter unit of thestation electronics 40 - 5050
-
Speichereinheit der Messstation
20 ,20* Storage unit of the measuringstation 20 .20 * - 6060
-
Verbindung zwischen Zentralstation
10 und Messstation20 ,20* Connection betweencentral station 10 and measuringstation 20 .20 * - 7070
-
Servereinheit der Zentralstation
10 , insbesondere zentraler Datenserver und/oder ZeitserverServer unit of thecentral station 10 , in particular central data server and / or time server - 7272
-
der Servereinheit
70 zugeordnete Anzeigeeinheit, zum Beispiel Bildschirm oder Monitor, insbesondere zur Darstellung der aktuellen Sferics-Lagetheserver unit 70 associated display unit, for example, screen or monitor, in particular for displaying the current Sferics situation - 7474
- F[ourier]T[ransformation] des Signals S, S* mit Online-DarstellungOurour transformation of the signal S, S * with online representation
- 7676
-
Kommunikationszentrum der Zentralstation
10 Communication center of thecentral station 10 - 76m76m
-
Modem des Kommunikationszentrums
76 Modem of thecommunication center 76 - 76w76w
-
Wählleitung des Kommunikationszentrums
76 Dial-up line of thecommunication center 76 - 7878
- Online-Darstellung von Satellitenbildern, von Bodenwetterkarten, von Radarwetterkarten und von dergleichen mittels mindestens einer Anzeigeeinheit, insbesondere mittels mindestens eines Bildschirms oder MonitorsOnline display of satellite images, of ground weather maps, of radar weather maps and the like by means of at least one display unit, in particular by means of at least one screen or monitor
- 8080
- Arbeitsplatz zur Analyse der Daten und Informationen D, D*Workplace for analysis of data and information D, D *
- AA
- Amplitude des Signals S, S*Amplitude of the signal S, S *
- CC
- Direktionalität, insbesondere räumlicher Richtungsverlauf, der Impulsabgabe oder ImpulsaussendungDirectionality, in particular spatial direction course, the impulse delivery or impulse emission
- dd
-
Abstand der Messstationen
20 ,20* zueinanderDistance of the measuringstations 20 .20 * to each other - dTdT
- Laufzeitverzögerung, wobei dT = TP – TH Propagation delay, where dT = T P -T H
- DD
-
von der einer Impulsquelle räumlich nächstgelegenen Messstation oder Sensor(station)
20 kommende Daten und Informationenfrom the measuring station or sensor (station) spatially closest to apulse source 20 upcoming data and information - D*D *
-
von der einer Impulsquelle räumlich nicht nächstgelegenen Messstation oder Sensor(station)
20* kommende Daten und Informationenfrom the measuring station or sensor not stationed spatially next to a pulse source (station)20 * upcoming data and information - Ee
- Erde, insbesondere ErdbodenEarth, especially soil
- HH
- Höhe der Impulsquelle, insbesondere Emissionshöhe bzw. SendehöheHeight of the pulse source, in particular emission level or send height
- KK
- Sendertransmitter
- MM
- Flugzeugplane
- PP
- atmosphärische Entladung, insbesondere Blitzatmospheric discharge, especially lightning
- weitere klimatologische und/oder meteorologische Daten- und Informationsquelleadditional climatological and / or meteorological data and information source
- RR
-
Entfernung der Impulsquelle von der Messstation
20 ,20* Removal of the pulse source from the measuringstation 20 .20 * - SS
-
der einer Impulsquelle räumlich nächstgelegenen Messstation oder Sensor(station)
20 zugeordnetes Signalthe measuring station or sensor (station) spatially closest to apulse source 20 associated signal - S*S *
-
der einer Impulsquelle räumlich nicht nächstgelegenen Messstation oder Sensor(station)
20* zugeordnetes Signalthe measuring station or sensor not stationed spatially closest to a pulse source (station)20 * associated signal - S'S '
-
mittels der Verstärkereinheit
42 verstärktes Signalby means of theamplifier unit 42 amplified signal - S''S ''
-
mittels der Filtereinheit
44 gefiltertes Signalby means of thefilter unit 44 filtered signal - TH T H
- um Effekt der Höhe H bereinigte Impulsabgabezeit oder Impulsaussendungszeit, insbesondere um Effekt der Höhe H bereinigte Entladungszeitadjusted for the effect of height H impulse delivery time or pulse emission time, in particular by effect of the height H cleaned discharge time
- TP T P
- Impulsabgabezeit oder Impulsaussendungszeit, insbesondere EntladungszeitPulse output time or pulse transmission time, in particular discharge time
- WW
- Wolkecloud
Claims (8)
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EP05716601.9A EP1711843B1 (en) | 2004-01-29 | 2005-01-27 | System and method for the recording transmission and analysis of data and information generated by electromagnetic radiation |
ES05716601.9T ES2492565T3 (en) | 2004-01-29 | 2005-01-27 | System and procedure to detect, transmit and evaluate data and information produced by electromagnetic radiation |
PCT/EP2005/050355 WO2005073752A1 (en) | 2004-01-29 | 2005-01-27 | System and method for the recording transmission and analysis of data and information generated by electromagnetic radiation |
US10/587,190 US7672783B2 (en) | 2004-01-29 | 2005-01-27 | System and method for recording, transmitting and analyzing data and information accrued from electromagnetic radiation |
Applications Claiming Priority (6)
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---|---|---|---|
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DE102004004580.1 | 2004-01-29 | ||
DE102004006253.6 | 2004-02-09 | ||
DE102004006253 | 2004-02-09 | ||
DE102004033386.6 | 2004-07-09 | ||
DE102004033386 | 2004-07-09 |
Publications (2)
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