DE4133209A1 - Verfahren zur verwertung der durch elektromagnetische strahlung natuerlichen ursprungs anfallenden daten zur lokalisation und vorhersage meteorologischer prozesse und zur gewinnung biometeorologischer informationen - Google Patents
Verfahren zur verwertung der durch elektromagnetische strahlung natuerlichen ursprungs anfallenden daten zur lokalisation und vorhersage meteorologischer prozesse und zur gewinnung biometeorologischer informationenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung der Daten
elektromagnetischer Strahlungen in der Atmosphäre, die
natürlichen Ursprungs sind, dadurch meteorologische Prozesse
entstehen, sich meßtechnisch nachweisbar bis zu einigen tauschend
Kilometer Entfernung ausbreiten und vorzugsweise dem
Frequenzbereich von 1 kHz bis 100 kHz zuzuordnen sind.
Die Erforschung elektromagnetischer Strahlung, die in natürlichen
meteorologischen Vorgängen ihren Ursprung hat, wird seit rund 30
Jahren intensiv betrieben. Anfänglich ging man dabei davon aus,
daß praktisch ausschließlich es Blitzentladungen sind, die für
die hier zu beobachtenden elektromagnetischen Wellen
verantwortlich zeichnen. International wurden daher diese
Erscheinungen als "Atmospherics", kurz "Sferics" bezeichnet. Aus
Gründen, wie sie in den geophysikalischen Gegebenheiten in der
Luftschicht um unsere Erdkugel etwa bis in einige 100 km Höhe
gegeben sind (Existenz einer Ionosphäre) treten diese
Atmospherics im wesentlichen bevorzugt mit Frequenzen auf, die
den Bereichen um 10 Hz oder um 10 kHz zuzuordnen sind. Einen
umfassenden Überblick über den Stand der Forschung hierzu gibt
Hans Volland (CRC Handbook of Atmospherics, Volume I, II, CRC
Press, Inc., 1982). In neuerer Zeit befaßten sind auch
J. Eichmeier und H. Baumer mit dieser Strahlung (Das natürliche
elektromagnetische Impulsspektrum der Atmosphäre;
Arch. Med. Geoph. Biocl., Ser. A. 31, 249, 261, 1982; Die
verschiedenen Atmospherics-Impulsformen und ihre
Ausbreitungsbedingungen, H. Baumer, J. Eichmeier, Arch. Med. Geoph.,
Biocl., Ser. A, 32, 155-164, 1983).
Über die Peilung von derartigen Prozessen berichteten G. Heydt
(Heinrich-Hertz-Institut für Schwingungsforschung,
Technischer Bericht Nr. 90, Berlin-Charlottenburg, 1967) sowie
J. Pelz und H. J. Swantes (Kleinheubacher Berichte Nr. 29, 1986) oder
W. Harth, G. Heydt, J. Frisius, J. Pelz (Zur Bestimmung der
geographischen Verteilung der Gewittertätigkeit aus der
atmosphärischen Impulsstrahlung, Berliner Wetterkarte 24/72,
1972.) Auch Baumer, Metz (DE 33 20 908 A1, 1983) beschreibt ein
Verfahren zur Überwachung des Wettergeschehens mittels Bestimmung
der Ereignishäufigkeiten in verschiedenen Frequenzbändern. Mit
der biologischen Wirkung dieser Strahlung befaßten sich
G. Hoffmann, S. Vogel, H. Baumer, O. Kempski, G. Ruhenstroth
(Significant correlations between certain spectra of
atmospherics and different biological and pathological
parameters, Int. J. Biometeorol. 34 : 247-250, 1991) oder J. Pelz,
H. J. Swantes (Statistische Untersuchungen über das Auftreten
von Stumpf- und Phantomschmerzen sowie ihre mögliche
Abhängigkeit von luftelektrischen Erscheinungen, Kleinheubacher
Berichte Nr. 29, 1986).
Ein Verfahren zur Vorwarnung von Patienten mit klimatisch
beeinflußten Krankheiten, wie z. B. Epilepsie und Herzinfarkt,
und Schaltanordnung hierzu ist von Ruhenstroth-Bauer, Gerhard
(Europäisches Patentamt, Veröffentlichungsnummer 01 20 991 A2)
bekannt. Zu diesem Zweck werden hier die sinuidalen Sferic-Impulse
der Frequenz 28 kHz und die sinuidalen Sferic-Impulse der
Frequenz 10 kHz mittels eines Sferic-Selektors gemessen, die
Impulsrate dieser Sferic-Impulse über einen vorbestimmten
Zeitraum ermittelt und die Differenz der Impulsraten der Sferic-
Impulse von 28 kHz und der von 10 kHz gebildet. Der Nachteil der
hier verwendeten technischen Meßvorrichtung besteht in der
Anwendung einer analogen Filtertechnik, die den in der Natur
gegebenen Verhältnissen nicht gerecht werden kann. Die hier
angesprochenen Sferic-Impulse existieren in der Natur fast
ausschließlich nur mit einem breiten Frequenzspektrum, mit
teilweise mehr als einem Frequenzmaximum und nicht als
sinusförmige Schwingung mit einer konkreten Frequenz. Den
beobachteten biologischen Vorgängen ist somit keine eindeutige
physikalisch-meteorologische Begründung zuzuordnen.
Alle bisherigen meßtechnischen Untersuchungen auf diesem
Gebiet haben den Mangel, daß sie unter Anwendung einer
Analogmeßtechnik, beispielsweise durch Verwendung schmalbandiger
Meßantennen oder analoger Filter, einen wesentlichen
Informationsgehalt der ursprünglichen Signale verlustig gingen.
Dieser Mangel wird bei der Erfindung dadurch vermieden,
daß die Erfassung der Daten dieser elektromagnetischen
Strahlungen mit geringstmöglichem Verlust an Informationsgehalt
und damit hinreichend breitbandig erfolgt und aus diesen in
digitaler Form verarbeiteten Meßdaten abgeleitet werden
spezielle Wetterprognosen für einen bestimmten Ortsbereich
und/oder eine Lokalisation der meteorologischen Prozesse
und/oder biometeorologische Informationen, die mit der
biologischen Wirkung dieser elektromagnetischen Strahlung
zusammenhängen.
Weiter sind Maßnahmen vorteilhaft, wie sie in den Unteransprüchen
2-27 der Patentansprüche beschrieben sind.
Die Erfindung sei anhand eines Beispiels näher erläutert.
Eine Gesamtübersicht der Meßstation, wie sie erfindungsgemäß für
das Verfahren zur Erfassung der Daten elektromagnetischer
Strahlungen in der Atmosphäre, die natürlichen Ursprungs sind,
durch meteorologische Prozesse entstehen und vorzugsweise dem
Frequenzbereich von 1 kHz bis 100 kHz zuzuordnen sind, gibt das
im Bild 1 gezeigte Blockschaltbild. Demnach kommen 3 magnetische Antennen
(1, 2, 3) zur Verwendung, wie sie üblich durch orthogonal angeordnete
aktiven Meßantennen inklusive einem Verstärker (4, 5, 6)
Verwendung finden. Hinzu kommt noch eine Antenne (7) mit Verstärker
(8) zur Erfassung des elektrischen Feldes. Alle 4 Antenneneinheiten
(1, 2, 3, 4) arbeiten grundsätzlich als Breitbandantennen.
Um die, wegen der vorhandenen extremen Bandbreite, durch die
Antenne empfangenen technischen Störungen (z. B. Sender) zu eliminieren,
ist jeder der 4 Antennen (1, 2, 3, 4) ein spezieller Bandpaß (9, 10,
11, 12) nachgeschaltet, wodurch die exteme Bandbreite der Systeme entsprechend
reduziert wird, ohne daß dabei die charakteristische Breitbandigkeit
des Signalempfangs verloren geht.
Danach schließt sich für jeden der 4 Antennenkanäle ein Analog-Digitalwandler
(13) an, wodurch die Erfassung und weitere Verarbeitung der
Daten der elektromagnetischen Strahlung mit einem Rechnersystem (14)
durchgeführt werden kann. Dieses beinhaltet ein intelligentes Interface
(Triggerlogik (15), Timer (16), Speicher (17)) und Rechner (18) mit
Peripherie, z. B. einem DCF 77-Empfänger (19) zur genauen Zeitbestimmung.
Zu den einzelnen Bauteilen der Meßanlage sind folgende wesentliche
Bemerkungen zu machen.
Zur Messung der einzelnen Komponenten des magnetischen Feldes
werden Luft-Rahmenantennen verwendet, wobei der induzierte Strom,
wie er in der jeweils praktisch im Kurzschluß betriebenen
einzelnen Empfangsspule vorhanden ist, die nötige Signalinformation
liefert. Wesentlich ist hierbei, daß dieser Strom zum äußeren
Magnetfeld direkt proportional ist, da sowohl die induzierte
Spannung wie auch der die Stärke des Stroms bestimmende
Blindwiderstand der Spule sich gleichermaßen frequenzproportional
ändert. Zur Erzeugung einer Meßspannung ist ein Meßwiderstand in
die Spule eingebracht. Die Spulen sind gegen das elektrische
Feld besonders gut abgeschirmt, um Störungen und Fehlinformationsverarbeitung
zu vermeiden. Der den drei Meßspulen
(1, 2, 3) jeweils nachgeschaltete Verstärker (4, 5, 6) ist im
wesentlichen durch das im Bild 2 beschriebene Blockschaltbild
beschrieben.
Zur Messung der elektrischen Komponente von VLF-Sferics wurde
eine spezielle Antenne neu entwickelt. Ihre wichtigsten
Merkmale sind die große Bandbreite, eine vom Aufstellungsort
weitgehend unabhängige Empfindlichkeit sowie die im Vergleich
zu Langdraht-, Kugel- oder Stabantennen äußerst kompakte Bauweise.
Es wurde dabei das Prinzip einer Potentialmessung über
künstlicher Massefläche angewandt. Gemessen wird das Potential
an einer kleinen Meßelektrode, die sich über der Mitte einer
künstlichen Massefläche befindet. Das Hauptproblem bei einer
solchen Meßmethode, der sehr schnell endlich werdende
Widerstand des Isolators zwischen den jeweiligen Meßelektroden,
wurde durch eine spezielle Widerstandstransformationsschaltung
gelöst. Der Antennenverstärker ist mit einem extrem hochohmigen
Eingangswiderstand ausgestattet. Statische Aufladungen der Antenne
sowie interne temperaturabhängige Offsetströme sind durch eine
aufwendige Regelschaltung kompensiert. Das Ausgangssignal der einzelnen
Verstärker kann über eine 50 Ohm-Coaxialleitung abgegriffen
werden. Im Bild 3 zeigt der Blockschaltplan des
Antennenverstärkers für das elektrische Feld die einzelnen
Bauelemente.
Alle aktiven Meßantennen haben eine Übertragungsbandbreite von
etwa 3 Dekaden um den Frequenzschwerpunkt von 10 kHz. Die jeweils
nachgeschalteten Bandpässe reduzieren die Bandbreite auf etwa 2
Dekaden. Die Anpaßfilter bestehen jeweils aus einem Tief- und
einem Hochpaß in Kaskadenschaltung. Durch die Verwendung von
Einzelfiltern zweiter Ordnung wird eine Steilheit von 40
db/Dekaden erreicht. Sie sind als aktive RC-wider mit
Einfachmitkopplung aufgebaut. Durch die Verwendung einer
Besselcharakteristik lassen sich im Durchlaßbereich geringe
Gruppenlaufzeitdifferenzen erreichen. Pufferstufen am
Eingangsfilter garantieren ein hohes Maß an Rückwirkungsfreiheit
und machen den Bandpaß von der kapazitiven Last der
Anschlußkabel weitgehend unabhängig.
Mit Hilfe einer speziell entwickelten Software und unter
Hinzuziehung einer zweiten Meßstation, die von der ersten
hinreichend weit entfernt ist, können die empfangenen Meßdaten
entsprechend verarbeitet werden: Analyse eines einzelnen Signals
mit Hilfe der Fast Fourier Transformation (FFT) zur Ermittlung
der spektralen Eigenschaften; Ermittlung von einem oder mehreren
Maxima im Frequenzspektrum; Ermittlung der Güte des Maximums im
Frequenzspektrum, Aufsummierung von Spektren; Feststellung der
Empfangs-Richtungsachse mittels der Komponenten des Magnetfelds
und unter Hinzuziehung der Phasenlage des elektrischen
Feldes die eindeutige Einfallsrichtung; Bestimmung des
Entstehungsorts mittels Kreuzpeilung beim Betrieb von wenigstens
2 getrennt aufgestellten Meßstationen; Analyse der Phasendifferenz
zwischen der elektrischen und magnetischen Komponente und der
Umsetzung in eine Entfernungsbewertung bezüglich des
Entstehungsorts; Aufbereitung der empfangenen Signale über längere
Zeiträume sowie meteorologische oder biometeorologische
Interpretation der gewonnenen Informationen; Übertragung der
gewonnenen Meßdaten auf einen Bildschirm mit Landkarte, u. ä.
Claims (27)
1. Verfahren zur Erfassung der Daten elektromagnetischer Strahlungen
in der Atmosphäre,
die natürlichen Ursprungs sind,
durch meteorologische Prozesse entstehen,
sich meßtechnisch nachweisbar bis zu einigen 1000 km Entfernung ausbreiten und
vorzugsweise dem Frequenzbereich von 1 kHz bis 100 kHz zuzuordnen sind,
dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung der Daten dieser elektromagnetischen Strahlungen mit geringstmöglichem Verlust an Informationsgehalt und damit hinreichend breitbandig erfolgt und aus diesen in digitaler Form verarbeiteten Meßdaten abgeleitet werden spezielle Wetterprognosen für einen bestimmten Ortsbereich und/oder eine Lokalisation der meteorologischen Prozesse und/oder biometeorologische Informationen, die mit der biologischen Wirkung dieser elektromagnetischen Strahlung zusammenhängen.
die natürlichen Ursprungs sind,
durch meteorologische Prozesse entstehen,
sich meßtechnisch nachweisbar bis zu einigen 1000 km Entfernung ausbreiten und
vorzugsweise dem Frequenzbereich von 1 kHz bis 100 kHz zuzuordnen sind,
dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung der Daten dieser elektromagnetischen Strahlungen mit geringstmöglichem Verlust an Informationsgehalt und damit hinreichend breitbandig erfolgt und aus diesen in digitaler Form verarbeiteten Meßdaten abgeleitet werden spezielle Wetterprognosen für einen bestimmten Ortsbereich und/oder eine Lokalisation der meteorologischen Prozesse und/oder biometeorologische Informationen, die mit der biologischen Wirkung dieser elektromagnetischen Strahlung zusammenhängen.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß zum Empfang der elektromagnetischen Strahlungen Breitband-
Antennen benutzt werden.
3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß zum Empfang der magnetischen Komponente der Strahlungen
vorzugsweise Spulen Verwendung finden, deren Kurzschlußstrom oder
deren integrierte Leerlaufspannung über die gesamte Bandbreite vorzugsweise
ein frequenzunabhängiges Maß für das magnetische Feld darstellt.
4. Vorrichtung gemäß Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Messung des Betrages der magnetischen Feldstärke
vorzugsweise mittels dreier orthogonal angeordneter Spulen und
durch Aufsummierung der quadratischen Werte der einzelnen
Feldkomponenten erfolgt.
5. Vorrichtung gemäß Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Messung der magnetischen Komponente mittels anderer,
magnetfeldempfindlicher Meßsonden erfolgt, beispielsweise mittels
Hall-Sonden.
6. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Messung der elektrischen Feldkomponente der Strahlungen
sich vorzugsweise zur Erzielung eines in horizontaler Richtung
richtungsabhängigen Signalempfangs auf die Vertikalkomponente
des Feldes beschränkt.
7. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß das elektrische Feld durch eine hinreichend hochohmige
Messung der im Raum vorhandenen elektrischen Potentialdifferenz
erfolgt, wobei mittels einer speziellen elektronischen Schaltung
die Hochohmigkeit der zur Potentialdifferenz-Messung nötigen
Elektroden gegenüber Erde/Masse von äußeren Einflüssen weitgehend
unabhängig gehalten wird.
8. Vorrichtung gemäß Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet,
daß eine vom Aufstellungsort weitgehend unbeeinflußt arbeitende
Antenne durch die Einführung eines künstlichen Erdpotentials
erreicht wird.
9. Vorrichtung gemäß Anspruch 1-8, dadurch gekennzeichnet,
daß die typischerweise in einzelnen Wellenzügen auftretenden
elektromagnetischen Strahlungen bezüglich ihrer spektralen
Eigenschaften mit Hilfe der Fast Fourie Transformation (FFT)
analysiert werden.
10. Vorrichtung gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die elektromagnetischen Strahlungen frequenzmäßig einem
Maximum oder mehreren Maxima des Frequenzspektrums zugeordnet
werden.
11. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die sogenannte Güte des Maximums ein Maß dafür darstellt, wie
charakteristisch eine Maximumsfrequenz zu bewerten ist.
12. Vorrichtung gemäß Anspruch 9-11, dadurch gekennzeichnet,
daß eine für einen bestimmten Zeitraum und für einen bestimmten
Entstehungsort typische Signalform der elektromagnetischen
Strahlungen durch Aufsummierung von Spektren beschrieben wird.
13. Vorrichtung gemäß Anspruch 9-12, dadurch gekennzeichnet,
daß die zeitabhängig anfallenden Daten und Informationen für
spezielle kleinräumige wie auch großräumige Wetterprognosen im
näheren und/oder entfernteren Bereich Verwendung finden wie er
durch den Ursprung der meteorologischen Prozesse jeweils gegeben
ist.
14. Vorrichtung gemäß Anspruch 1-13, dadurch gekennzeichnet,
daß die Empfangs-Richtungsachse mittels der Komponenten des
Magnetfeldes gewonnen werden, wie sie vorzugsweise durch drei
orthogonal angeordnete Spulen gemessen werden.
15. Vorrichtung gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
daß die eindeutige Einfallsrichtungsbestimmung über die
Phasenlage von E-Feld und H-Feld für ein jeweils zu
beobachtendes Signal erfolgt.
16. Vorrichtung gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Verbesserung der Feststellung der Empfangs-Richtungsachse
eine Minimumpeilung verwendet wird und/oder drei um
jeweils 120 Grad verdrehte Spulen empfangsmäßig entsprechend
ausgewertet werden.
17. Vorrichtung gemäß Anspruch 1-16, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Peilung des Entstehungsorts der elektromagnetischen
Strahlung wenigstens zwei an getrennten Orten aufgestellte
Empfangsstationen verwendet werden.
18. Vorrichtung gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet,
daß drei räumlich getrennte Empfangsstationen verwendet werden,
die sich vorzugsweise entfernungsmäßig auf einem gleichseitigen
Dreieck befinden.
19. Vorrichtung gemäß Anspruch 17 und 18, dadurch gekennzeichnet,
daß die Entfernung zwischen wenigstens zwei räumlich voneinander
getrennten Meßstationen optimal auf die Entfernung des Bereichs
angepaßt ist, für den eine besonders gute Ortungsgenauigkeit
erwünscht ist.
20. Vorrichtung gemäß Anspruch 1-16, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Peilung des Entstehungsortes der elektromagnetischen
Strahlung mit Hilfe nur einer Meßstation die frequenzabhängige
Phasendifferenz zwischen der elektrischen und der magnetischen
Feldkomponente vorzugsweise in Verbindung mit einer gesonderten
Betrachtung der Frequenzabhängigkeit der Gruppenlaufzeit der
beiden Feldkomponenten ausgewertet wird.
21. Vorrichtung gemäß Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet,
daß die hier gewonnenen Informationen, ergänzt durch das Spektrum
der Amplitude der Signale, Rückschlüsse auf den meteorologischen
Zustand, wie er sich zwischen Entstehungs- und Empfangsort der
Signale darstellt, zulassen.
22. Vorrichtung gemäß Anspruch 1-21, dadurch gekennzeichnet,
daß mit Hilfe des Verfahrens gewonnene Daten zeitmäßig,
vorzugsweise über 24 Stunden, entsprechend aufbereitet werden,
beispielsweise die Anzahl der empfangenen Signale pro bestimmte
Zeiteinheit, die dominierende Frequenz der Signale als Funktion
der Zeit oder die sogenannte Güte des Frequenzmaximums im
Frequenzspektrum als Funktion der Zeit, damit sie als laufend
anfallende Information für spezielle Zwecke, wie beispielsweise
Wetterprognose oder zur Erstellung biometeorologischer
Informationen verwendet werden können.
23. Vorrichtung gemäß Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet,
daß die zeitabhängige Darstellung der gewonnenen Daten auf einem
Bildschirm mit Landkarte erfolgt, wo zu erkennen ist der Ursprung
einer bestimmten Anzahl oder die Anzahl während einer bestimmten
Zeiteinheit von entstandenen Signalen, das Alter eines
Signalentstehungspunktes, die Häufigkeit des Befalls eines Plan-
Quadrats und die Signalintensität unter Bewertung der Entfernung
zwischen Entstehungsort und Beobachtungsort.
24. Vorrichtung gemäß Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet,
daß die durch einen Farbbildschirm gegebenen Möglichkeiten zur
Informationsdarstellung genutzt werden.
25. Vorrichtung gemäß Anspruch 1-24, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Vorhersage meteorologischer Prozesse und zur Gewinnung
biometeorologischer Informationen speziell die Daten verwendet
werden, wo überwiegend nur die elektrische Komponente der
elektromagnetischen Strahlung zu beobachten ist.
26. Vorrichtung gemäß Anspruch 1-25, dadurch gekennzeichnet,
daß die laufend gewonnenen Informationen als Daten-Service
allgemein und/oder für spezielle Interessenten entsprechend
aufbereitet zur Verfügung gestellt werden.
27. Vorrichtung gemäß Anspruch 1-26, dadurch gekennzeichnet,
daß wenigstens eine der zur Erfassung und Verarbeitung der Daten
elektromagnetischer Strahlungen in der Atmosphäre nötige
Vorrichtung beweglich aufgebaut ist, beispielsweise in einem
Kraftfahrzeug, Schiff oder Flugzeug.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19914133209 DE4133209A1 (de) | 1991-10-07 | 1991-10-07 | Verfahren zur verwertung der durch elektromagnetische strahlung natuerlichen ursprungs anfallenden daten zur lokalisation und vorhersage meteorologischer prozesse und zur gewinnung biometeorologischer informationen |
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Country Status (1)
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