CN1266498A - 气象电磁测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种气象电磁测量系统,它具有多个测量站(2,4),它们在空间上分布于一个规定区域内。每个测量站(2,4)具有至少一个用于接收天电信号的天电接收机(10a,10b)和一个用于将测量站(2,4)中由天电信号导出的测量数据传输到测量站(2,4)对应的中央评估单元(6)的传输装置(5),其中相邻测量站(2,4)的中间距离(a)小于50公里,以全面收集短作用距离的天电信号。

Description

气象电磁测量系统

本发明涉及气象电磁测量系统，它收集天电信号并进行分析。

天电信号是形式为非规则形状射线脉冲的电磁信号，它以动态的过程出现在大气层中例如雷电或暴风雨锋前区域或对流的云团中。

从大量的观测得知，天电信号的各个参量，如振荡的数量、振幅和频率，以及脉冲串频率，在频率值上的频率分布和信号形状与引起信号的天气过程，尤其是与大气层的空气物质种类和运动有紧密的关联。

至今所知的用以收集和分析天电信号的电磁测量系统是单个接收机或传感器，由于系统的制约，用它们只能实现关于一般天气状况的粗略判断，因为在接收天电信号时最多只能判断源位置的方向，而不能判断源位置的信号强度以及沿着天电信号的传播路径上由大气的不同物理状态产生的变化。

本发明的目的在于给出一种气象电磁测量系统，用它能收集一般天气状况作为精确天气预报的基础。

上述任务通过具有本发明在权利要求1中所述特征的气象电磁测量系统而完成。本发明的电磁测量系统包含多个测量站，它们在空间上分开设置在一个规定的区域内。每一个测量站包含至少一个用于收集天电信号的天电接收机和一个用于将测量站中由天电信号推出的测量数据传送到测量站所对应的中央评估单元的传输装置，其中各个相邻测量站的中间距离小于50公里，以全面收集短作用距离的天电信号。

本发明基于以下的考虑：短期预报(当前天气播报)相关的气象事件通常导致仅具有小作用距离的天电信号。这些天电信号具有数百微秒的脉冲持续期并且由一个或多个振荡组成，它们的振荡频率处于约3kHz和100kHz之间的范围中，即甚低频(VLF)频段中。天电信号的脉冲串频率可以达数百赫兹。天电信号的最大振幅决定于信号源的种类和远近并且电场矢量达每米数伏。典型的放电电流强度小于1kA，因而有效作用距离最大约为50公里。可以仅仅测量附近距离范围内主要与短期预报相关的天电源，距离对应于波长的数量级，由于物理的原因它不能被测向。天电信号明显不同于雷电产生的电磁信号，因为雷电放电电流高两个数量级，因而有更远的作用距离并且例如存在测向的可能性。通过本发明设置的一个网孔相当精细的测量网就也可以全面收集具有短作用距离的天电信号并且用于可靠的且时间和地点上均有高分辨率的天气预报。

此外，本发明的基本考虑在于，大量在空间上分开设置在规定区域内的测量站构成的测量站网使得分析大气中天电信号沿着其传播路径的变化情况成为可能，从而可得出关于一般天气状况的更佳的判断。尤其是通过对天电信号进行精细网络和连续的测量不仅收集了实时天气现象，而且也收集了其产生原因，例如空气运动和放电过程，这样就使得以高准确度尤其为短期预报(典型为15分钟至2小时)提供将来的天气趋势成为可能。本发明的基本思路在于构成一个气象电磁测量系统，其发射机是随机出现的大气中自然事件，而其接收机由测量站网构成。

本发明还基于以下考虑：沿着其传播路径在大气中传播的天电信号受到当地热力学和电学状况的影响，以此方式可以得到对实时天气状况的补充判断并由此给出用于预报的结论。

由本发明的测量系统提供的数据给出对微弱的大气甚低频(VLF)发射的全面描绘。这些数据不仅可作为可靠的短期天气预报的基础，而且也可作为VLF脉冲对人类器官的生理作用的流行病研究的基础。

相邻测量站的中间距离，即测量网络的网格宽度在10公里和50公里之间为宜，最好约30公里。这样可以以约10公里的分辨率全面收集天电活动数据。

在优化的本发明方案中每个测量站有一个根据接收到的天电信号推导出测量数据的处理单元。处理单元可以由简单的滤波器和/或模拟信号处理电路组成，在其中信号以模拟形式被处理，因而测量数据也是模拟形式。

特殊的处理单元包含一个数字信号处理器，在其前面连接一个模-数变换器。在此情况下可进行数字信号分析，例如一个附加的数字滤波，特别是一个频谱分析或相继天电信号的时序分析。信号处理器通过这些分析而推导出的测量数据然后作为数字的数据字传输到中央评估单元。

数字信号分析最好借助于一个合适的，特别是存放在EPROM中并由中央评估单元遥控管理的软件实现。在本发明的优化方案中在数字信号处理器中进行天电信号的评估分析，在分析中它们按照规定的评估准则分别对应于一个活动性等级。利用这种智能化测量站，传输测量数据的容量可明显减小并且简化后续的数据处理，例如处理是将由所有测量站实时传输到中央评估单元的天气状况数据图与已存储的以前天气状况数据图进行快速模板比较，以从这个比较推导出天气预报。

尤其是在数字信号处理器中完成天电信号从工程干扰信号的分离。

好的方式是在具有至少一个磁性VLF天线的天电接收机后面接一个具有模拟滤波器的信号处理电路。采用这个措施，不是由大气原因导至的干扰信号，即所谓的工程信号，可以在数字信号分析之前至少被部分地消除，因为仅仅在天电信号相关频段内的电磁信号被送入进行后面处理和分析，这样就压缩了被分析数据的数据数量。

在中央评估单元最好存在通过评估大量相邻测量站的测量数据来确定天电源位置的装置，例如借助于群代数算法(Clusteralgorithmen)。这可实现在邻近区域精确定位，因为在诸如雷电定位中使用的测向和传播时间方法中在邻近区域不可避免地出现的误差被避免了。

在本发明特别优良的方案中存在一个中央测向发射机，用以确定至少部分天电接收机的调准。

在优良的实施形式中天电接收机具有两个水平的且相互正交定向的磁性VLF天线。这样可以接收从任意方向来的垂直极化天电信号。此外长行程的垂直极化天电信号或者具有垂直极化分量的天电信号，即电场矢量垂直于地面而磁场矢量平行于地面的天电信号或天电信号分量通过比较在相互正交的水平磁性天线中接收到的信号来分析它的传播方向。

在进一步优化的实施形式中至少部分测量站的接收机包含一个垂直定向的磁性VLF天线。这样也能收集直接发生在此天电接收机上方的天电事件。

在进一步优化的实施形式中至少部分测量站的接收机包含一个偶极子天线，用以测量电场的一个分量，尤其是垂直分量。从这样一个场分量的测量可导出更多的信息。尤其是电场强度和磁场强度间的关系，例如它们相互间与距离有关的相移可以被分析。

特别是至少部分测量站中有一个具有接收长波广播信号的广播天线的宽带VLF接收机。这样除了大气发射机外广播发射机也能参与对大气状态的分析。以这些配置有宽带广播天线的测量站接收到的广播信号可在中央评估单元中相互比较。由此比较可得到关于沿着广播信号传播路径上大气条件的推论。

在进一步优化的实施形式中测量站至少包含另一个测量值记录仪用以收集另一个本地测量变量。这样的本地测量变量可以例如是气压，温度，传导率，湿度，太阳照射或发生降雨。

在优良的结构中至少部分测量站包含一个用以收集其实时空间位置的测量系统。该测量系统可以是例如一个全球定位(GPS)测量系统。这样就可以考虑使用地理位置不严格确定的测量站，例如海上测量站或气象气球中的测量站。

在本发明的优良结构中传输装置是事件控制的，也就是说，仅当测量站接收到一个事件，即一个天电信号时才进行传输。这样传输给评估单元的测量数据量及在处理单元中所需的计算开销可缩减。

优良的传输装置是时间上可控激活的，这样可以获得全部测量站所收集的空间区域中大气过程的时间上无间隙的描绘图。

部分测量站可附加配备一个甚高频(VHF)/超高频(UHF)接收机用以测量高频(HF)范围内的大气作用。

在本发明特别优良的结构中至少部分测量站具有一个同类天电接收机阵列，这些接收机以规定的相互间距离，最好在1和20米间被设置。通过此措施可以简单地分开短作用距离的工程干扰信号和长作用距离的真实的天电信号，仅仅在所有天电接收机中一致出现的信号才被送去进行后续处理。

下面借助附图所示实施例进一步说明本发明。附图中

图1简要示出本发明的一个电磁测量系统，它具有多个分散在一个空间区域中的测量站。

图2示出一个测量站的优化结构，该测量站满足在本发明电磁测量系统中使用的要求。

图1在一个空间区域中设置了多个测量站2，4。在图示例子中测量站2，4构成一个正交的格状网。然而测量站2，4不一定必须配置在一个这样的正交格状网中。在所示正交格状网中对应于格状网的网格宽度的测量站2，4相互间的中间距离a小于50公里，在10公里与50公里之间为宜，最好约30公里，这样保证能由至少一些相邻的测量站2，4收集到短作用距离的天电信号。

每个测量站2，4具有一个传输装置5，它将测量站2，4给出的，由天电信号或由必要时记录的其它测量变量推导出的测量数据传输到中央评估单元6。

固定位置的测向发射机8，例如Mainfingen的时标发射机DCF77，用来监视测量站2，4中的接收天线的调准。

用方块符号表示的测量站2与用圆圈符号表示的测量站4的区别在于，测量站2配置有一个天电接收机10a，它包含一个垂直安放的和两个相互正交且水平安放的磁性天线110及112，114，例如铁氧体天线或空气线圈天线。测量站4则配有一个天电接收机10b，它仅包含两个水平磁性VLF天线112，114并且用它不能测量垂直磁场分量。由测量站2组成的局部网不像由测量站4形成的局部网那样有紧密的网格，因为由天电接收机10a附加接收的垂直磁场分量一般仅属于那些天电事件，它们直接发生在相应测量站2的上空大气中，并且因此而已经被相邻的测量站的水平磁性VLF天线112，114所收集。

部分测量站2及4的天电接收机10a，10b还可配有一个垂直偶极子天线116，用于附加测量磁场的水平分量和电场的垂直分量。

每个测量站2，4配有一个处理单元11，在其中接收到的天电信号被处理为模拟或数字数据，然后它通过传输装置5，例如一个电话调制解调器或一个无线发射机，被传送到中央评估单元6。该处理单元11在简单情况下可以仅由一个模拟运算器，例如一个滤波器组成。

至少部分测量站2，4具有由同类天电接收机10a及10b构成的直线形或矩阵形阵列来代替单个的天电接收机10a或10b，阵列中的天电接收机相互间距离约1至20米被设置。采用此措施可以简单地区分工程上产生的具有数米作用距离的VLF脉冲和具有数千米作用距离的真正的天电信号。

变型结构的处理单元11可以对在一个数字信号处理器中数字化的天电信号在其传送给中央评估单元6之前作进一步的数字处理。

图中用断面线表示一个大气事件E，例如产生的冷空气前沿。在此冷空气前沿发生有特征的放电过程，这是出现有特征的天电信号的原因。经验表明，这种冷空气前沿的出现首先导致相对长的波长的垂直极化天电信号。这样借助于测量站2，4可以查明产生垂直极化天电信号的事件的位置x，其中原则上在两个测量站2，4接收天电信号就足够了。从测量站2，4接收到的，有关发生位置和现象描绘图的被分析的天电信号使得预报在位置x处发现冷空气前沿成为可能。在事件E，例中为冷空气前沿，附近的测量站2用其垂直的VLF天线110还附加接收弱的水平极化天电信号，其信号分布，信号频率和信号持续期使得推断是否冷空气前沿出现或正向前推进成为可能。通过大量测量站2，4的全面分布可以得到关于天气状况的大量信息，这些信息可用作可靠的短期天气预报的基础。这样，利用本发明的装置可以进行精确预报，在半个小时至几个小时的时段内可精确预报在地点y出现冷空气前沿。

然而通过测向确定天电信号的位置仅对长作用距离的天电信号是可能的。因此，短作用距离的天电信号的源位置确定是在中央评估单元6中通过借助于群代数算法评估相邻测量站2，4接收到的脉冲率和功率密度数据实现的。

图2中测量站2具有至少一个配备有3付磁性VLF天线110，112，114的天电接收机10a以及一个附加的宽带VLF接收机12，它具有一个水平的广播天线120。此外，由图可见天电接收机10a还配备有一付偶极子天线116。

天电接收机10a配备有一个信号处理电路14，例如它具有模拟滤波器，用于从工程干扰信号(工程信号)中分离出天电信号。在变型的优化结构中测量站2以阵列形式配备有多个天电接收机10a，像用点表示的那样。通过此措施可以特别简单和可靠地从工程干扰信号中分离出天电信号。

VLF接收机12后接一个可控滤波器16，用它可将接收机调整到任何发射机上。此外VLF接收机12的广播天线可通过信号处理器22被中央评估单元6遥控。

在测量站中还有一系列其它测量值记录仪18，用它们来收集其它的本地测量变量，如温度，气压，相对湿度，大气的电传导率。

信号处理电路14，可控滤波器16以及测量值记录仪18的输出连接到一个复用器20，它们的寻址输入由信号处理器22控制，这样在复用器20的输出端每次仅出现当时寻址输入对应的信号。在复用器20的输出端出现的测量信号经过一个模数变换器24送到信号处理器22中。

此外，天电接收机10a还配有一个发射机26，它发送由信号处理器22控制的规定的发送信号用于天电接收机10a自测。

在信号处理器22中对先后进入的测量数据，特别是天电信号进行分析。此分析可如此进行：利用可信度控制方法(Plausibilitaetsko ntrollen)将“非真实”的天电信号与“真实”的天电信号分离。例如在测量站具有多个天电接收机的情况下这可通过下述方法实现：仅仅所有天电接收机同时接收到的信号才进行后续处理。

在数字信号处理器22中还产生一个由天电信号导出的解释信号，它可作为具有解释天电信号的信息内容的数据字，例如具有信息内容“冷空气前沿位于位置x”或“冷空气前沿在测量站位置上形成”通过传输装置5传送到中央评估单元6。

用于数字信号处理的算法在信号处理器20中存储在EPROM中并可通过传输装置5中的调制解调器自由激活。这些算法例如在仅具有一个天电接收机的测量站中包括用以用数字技术分开天电信号和工程干扰信号的算法(鉴别器)，这些干扰信号可以是信号处理电路14的模拟滤波器没有滤去的。

数字信号处理器22中存有用以分析天电信号的算法(分析器)。这个分析可如此进行：例如对诸如1分钟的测量间隔这样的固定的测量时间间隔中所有天电接收机相同的接收信号以规定的频谱范围，例如范围1至10kHz，10至20kHz，20至30kHz，30至50kHz，50至100kHz，100至200kHz，200至500kHz进行频谱分析。此外，在频谱范围中的功率谱密度在相应的时间间隔上积分并且确定在此时间间隔中的脉冲数。固定数量的(例如15个)这样的测量间隔被综合为每个传输间隔，在此过程之后，得到的数据被传送到中央评估单元6进行进一步处理和保存。

在信号处理器22中接收的天电信号还可被进一步处理和分析：可将信号归到活动性分级图表中并且在传输间隔过程进行之后仅需再传输活动性等级。在测量间隔中的测量值的综合按照已有典型模板来确定活动性等级。

通过上述措施被传输数据的数量显著减小。

实施例中还存在一个UHF/VHF接收机28，用它可接收高频范围中普通电视发射机的电视传输信号。这使得借助于高频范围中的电磁信号补充分析和解释天气状况成为可能。

此外在实施例所详细说明的测量站中有一个收集实时空间位置的测量系统30，例如一个全球定位系统(GPS)接收系统，用它可确定测量站的实时位置。这在诸如非固定的测量站情况下是有益的。

                符号表

2，  4	测量站
		4	测量站
6	评估单元
		5	传输装置
8	测向发射机
		10a，b	天电接收机
11	处理装置
		12	甚低频接收机
14	信号处理电路
		16	可控滤波器
18	测量值记录仪
		20	复用器
22	信号处理器
		28	超高频/甚高频接收机
30	收集实时空间位置的测量系统
		110，112，114	磁性甚低频天线
116	偶极子天线
		120	广播天线
E	大气事件
		a	距离
x，y	地点

Claims (26)

1.气象电磁测量系统，它具有多个测量站(2，4)，它们在空间上分布于一个规定区域内，并且每个测量站具有至少一个用于接收天电信号的天电接收机(10a，10b)和一个用于将每个测量站(2，4)中由天电信号导出的测量数据传输到测量站(2，4)对应的中央评估单元(6)的传输装置(5)，其中相邻测量站(2，4)的中间距离(a)小于50公里，以全面收集短作用距离的天电信号。

2.如权利要求1所述的电磁测量系统，其特征在于，中间距离(a)小于30公里。

3.如权利要求1或2所述的电磁测量系统，其特征在于，测量站(2，4)中具有一个用于由接收到的天电信号推导出测量数据的处理单元(11)。

4.如权利要求3所述的电磁测量系统，其特征在于，处理单元(11)具有一个数字信号处理器(22)，用以处理接收到的天电信号，在它前面接有一个模/数变换器(24)。

5.如权利要求4所述的电磁测量系统，其特征在于，具有用以对天电信号进行频谱分析的数字信号处理器(22)。

6.如权利要求4或5所述的电磁测量系统，其特征在于，具有用以对相继的天电信号进行时序分析的信号处理器(22)。

7.如权利要求4至6中任一项所述的电磁测量系统，其特征在于，具有借助于规定的判断准则评判已分析的天电信号的信号处理器(22)。

8.如权利要求4至7中任一项所述的电磁测量系统，其特征在于，在信号处理器(22)中分析天电信号所需要的软件是由中央评估单元(6)远距离管理的。

9.如权利要求1至8中任一项所述的电磁测量系统，其特征在于，具有分离天电信号和工程干扰信号的数字信号处理器(22)。

10.如以上所有权利要求中任一项所述的电磁测量系统，其特征在于，具有至少一个磁性甚低频天线(110，112，114)的天电接收机(10a，10b)后接一个具有一个模拟滤波器的信号处理电路(14)。

11.如以上所有权利要求中任一项所述的电磁测量系统，其特征在于，中央评估单元(6)包含通过评估至少邻近的测量站(2，4)的测量数据来确定天电源的位置的装置。

12.如以上所有权利要求中任一项所述的电磁测量系统，其特征在于，具有一个用以确定天电接收机(10a，10b)调准的中心测向发射机(8)。

13.如以上所有权利要求中任一项所述的电磁测量系统，其特征在于，天电接收机(10a，10b)具有两个水平的且相互正交的磁性甚低频天线(112，114)。

14.如权利要求13所述的电磁测量系统，其特征在于，至少部分测量站(2)中的天电接收机(10a)具有一个垂直定向的磁性甚低频天线(110)。

15.如权利要求13或14所述的电磁测量系统，其特征在于，至少部分测量站(2，4)中的天电接收机(10a，10b)具有一个偶极子天线(116)，用以测量电场的一个分量。

16.如权利要求15所述的电磁测量系统，其特征在于，具有一个用于测量电场的垂直分量的偶极子天线(116)。

17.如以上所有权利要求中任一项所述的电磁测量系统，其特征在于，至少部分测量站(2，4)中具有一个宽带的甚低频接收机(12)，它具有一个广播天线(120)并用以接收长波广播信号。

18.如权利要求17所述的电磁测量系统，其特征在于，存在一个中心的测向发射机(8)，用于监视广播天线(120)的调准。

19.如以上所有权利要求中任一项所述的电磁测量系统，其特征在于，测量站(2，4)至少包含一个另外的测量值记录仪(18)，用于收集其它的本地测量变量。

20.如以上所有权利要求中任一项所述的电磁测量系统，其特征在于，测量站(2，4)包含一个用于测试天电接收机(10a，10b)的自测装置(26)。

21.如以上所有权利要求中任一项所述的电磁测量系统，其特征在于，至少部分测量站(2，4)包含一个用于收集其实时空间位置的测量系统(30)。

22.如以上所有权利要求中任一项所述的电磁测量系统，其特征在于，传输装置(5)是事件可激活的。

23.如以上权利要求中任一项所述的电磁测量系统，其特征在于，传输装置(5)是时间控制可激活的。

24.如以上权利要求中任一项所述的电磁测量系统，其特征在于，至少部分测量站(2，4)具有一个超高频/甚高频接收机(28)。

25.如以上权利要求中任一项所述的电磁测量系统，其特征在于，至少部分测量站(2，4)具有同类天电接收机(10a，10b)的阵列，这些接收机以规定的相互距离排列。

26.如权利要求25所述的电磁测量系统，其特征在于，测量站(2，4)中天电接收机(10a，10b)的距离在1至20米之间。

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