KR20080065659A

KR20080065659A - 번개의 검출

Info

Publication number: KR20080065659A
Application number: KR1020087011443A
Authority: KR
Inventors: 조니 잔투넨; 자케 매켈래; 테르호 카이쿠란타; 주카 레우나매키; 톰 아홀라; 아르투 우우시탈로; 카리 칼리오재르비
Original assignee: 노키아 코포레이션
Priority date: 2005-10-14
Filing date: 2005-10-14
Publication date: 2008-07-14
Also published as: CN101287992B; CN101287992A; KR101119212B1; BRPI0520644A2; WO2007042600A1; EP1934619A4; EP1934619A1

Abstract

번개 검출을 위한 번개 검출기 및 번개 검출 방법인데, 번개 검출기는 적어도 2개의 별개의 채널들 또는 주파수 대역들을 번개 검출을 위해 사용하고, 번개 검출기는 적어도 2개의 통신 채널들 또는 주파수 대역들을 위한 무선 인터페이스들이 제공되어 무선 인터페이스들 중의 적어도 하나는 정상적으로 텔레콤 채널/주파수 범위에 있고 이런 채널들/범위들이 번개 검출에 이용되는 이동식 RF 기기이다.

Description

번개의 검출{Detection of lightning}

본 발명은 번개 검출기에 관한 것이다. 본 발명은 번개 검출기가 번개 검출을 위해 적어도 2개의 별개의 채널을 사용하는 번개 검출기에 관한 것이다. 본 발명은 또한 번개를 검출하기 위한 방법에도 관한 것이다.

뇌우는 주요한 기상위험이지만, 예측하기 어렵다. 그것들은 20 km/h 내지 40 km/h의 속도로 이동할 수 있고, 뇌격은 10 km 이상 비구름 앞에서 그리고 동등하게 얼마간의 거리로 비구름 뒤에서 발생할 수 있다. 뇌격이 구름 또는 기상전선(weather front)에 의해 생성되는 반면, 가장 위험한 뇌격의 대부분은 실제로 어떤 가시적인 구름도 뇌우의 경고로서 하늘에 존재하지 않을 때 발생한다. 그래서, 유해한 뇌우가 보이기 대략 10분 전에만이라도 뇌우의 가능성을 경고하는 시스템은 주요한 안전 특징이라고 간주될 수 있다.

그런 안전 특징으로부터 이익을 얻을 것인 많은 사람이 있다. 일부 사람에게, 그것은 단지 알면 좋은 일상 지식을 제공할지도 모른다. 그러나, 상당한 수의 사람들에게는, 폭풍과 번개에서 비롯되는 위협은 증가된 위험, 재산의 손실 또는 심지어 치명적인 결과의 형태로 상당한 밀접한 관계를 가진다. 번개 경보 시스템은, 예를 들어, 많은 시간을 옥외에서 보내는 사람들, 그리고 동등하게 비행사, 항 공사 등에게 특히 관심이 있는 것이다. 날씨가 완전히 고요하고 맑을 것처럼 보이는 때에도 번개의 경고를 제공하고 있는 시스템은 사람들이 적당한 안전 조치를 제때에 취할 수 있게, 예를 들어 대피소 찾기 등을 할 수 있게 한다.

최신 기술 수준으로부터, 많은 단일 목적 번개 검출기가 알려져 있지만, 그것들은 상업적 견지에서 약간의 불리한 점을 가진다. 기상학에서 사용되는 과학적인 번개 검출기는 매우 크고 그것들의 범위는 수백 킬로미터이다.

또한 단일 무선 주파수(RF) 대역을 사용하는 다른 고급(high-end) 번개 검출기는, 예를 들어 이동 전화기에 비교하여, 크고 상대적으로 비싸다. 더군다나, 그것들은, 요구된 정확도 또는 방향성을 얻기 위해, 특정 배향을 가지는 것을 예를 들어 벽 위에 또는 책상 위에 세우는 것을 보통 요구받는다. 그것들은 그래서 정확하게 이동식 사용에 잘 맞지는 않는다. 이 기기들은 전형적으로는 추가로 일정한 방식으로 위치되어야 하고 뇌우의 믿을 만한 검출이 가능하게 되기 전의 수 분 동안 정지상태로 유지되어야 한다.

부가하여, 크기는 완전히 휴대형이고 특정 배향을 필요로 하지 않는 약간 싼 저급(low end) 번개 검출기가 현재 존재한다. 그러나, 이 검출기들은 인공 전자파 적합성 (EMC) 방출에 상당히 영향받기 쉬고, 그래서 특히 도시의 세팅에서 또는 고속도로 근처에서 가짜 경보를 초래하는 경향이 있다.

현재 대부분의 시판되는 이동식 번개 검출기들은 매우 낮은 주파수들(VLF: 3-30 kHz)에서의 번개에 의해 초래되는 전자기 방출을 측정하는 것에 의해 뇌격을 검출한다. 부가하여, 장파 주파수(150 내지 300 kHz), 중파 주파수(500 내지 1700 kHz) 및 단파 주파수(SW: 2 내지 30 MHz)에서 동작하는 전통적인 AM 방송 라디오 수신기를 사용하는 것에 의해 뇌격은 "들릴 수 있다"는 것이 수십 년간 알려져 있었다. 그러나, 3-300 MHz 사이의 고주파수(HF) 및 VHF 주파수들에서 그리고 더 높은(UHF) 주파수들에서도 번개는 그것의 방출에 의해 검출되고 측정되었다는 수많은 출판물이 존재한다.

본 발명은 뇌격이 광범위한 파장들에 걸쳐 연장하고 있는 간단하지만 강한 전자기 파동뿐 아니라 시각 신호 및 부분적으로 가청 압력 신호도 생성하는 단일 섬광(flash)이라는 생각으로부터 시작한다. 뇌격에 의해 유발되는 전형적인 전자기 펄스는 500 Hz 주변에 피크를 갖는 10 Hz와 5 GHz 사이, 즉 가청 주파수 범위의 주파수들을 포함한다. 10 km의 정규화된(normalized) 거리에서, 그런 펄스의 진폭들은 107 mV/m부터 1 mV/m까지의 범위에서 1 kHz의 대역폭으로 있으며, 전자기 펄스의 가장 강한 신호는 뇌격에서 수직 전류에 의해 초래된 유도성 전기장이고, 이것은 대규모의 거리-베어링 기기들에서 가장 일반적으로 측정되는 매개변수이다.

그러나, 뇌격 현상의 복잡도 때문에 수백 Hz 이하의 초저주파(ELF) 범위의 강한 신호들과 GHz 범위 이상까지 연장하는 더 약한 신호들도 있다.

전자파 장해(EMI) 시그너처(signature)들의 정확한 특성들 및 시간 스펙트럼들이 MHz 범위에서 그것들을 초래하는 약간 다른 기상 메커니즘들 때문에 kHz 및 Hz 범위들 정도 다르다는 것은 잘 알려진 사실이다.

본 발명의 목적들을 위해 관심 있는 모든 주파수들에서는 뇌격이 많은 수의 킬로미터 거리에서 식별될 수 있는 EMI 펄스를 동반한다는 것을 주의하면 충분하다.

뇌격이 EMI 펄스를 생성한 결과로서, RF 채널들은 근처의 뇌격 동안에 간단히 방해된다. 뇌격에 의해 초래된 EMI로 인한 RF 수신기의 손상은 AM/FM 라디오, TV 또는 전력공급선들의 사용 중에 정전기, 클릭, 스크래치, 소음 또는 소리 또는 화상의 손실의 형태로 경험할 수 있다. 뇌격으로 인한 무선 주파수 채널의 교란은 매우 먼 거리에서 감지될 수 있다. 전문적이고 대규모의 번개 검출기는 뇌격으로부터 수백 킬로미터 거리에서 번개 교란, 이른바 공중전기(sferics)를 검출할 수 있지만, 이 검출기는 본 발명과 같은 오디오 또는 RF 신호에서의 간섭보다는 유도성 전기 또는 자기장을 측정하는 것에 의해 전형적으로 동작한다.

일반 AM 라디오는 오디오 신호에서 각종 클릭들로서 직접 들릴 수도 있는 뇌격으로부터 30 km 이상까지의 거리에서 EMI 교란을 격을 수 있다고 알려져 있다. AM 대역보다 높은 주파수들에서, 신호는 대기 감쇠 및 다른 원인 메커니즘 둘 다 때문에 전형적으로 훨씬 더 약하지만, 그럼에도 불구하고 먼 거리에서 탐지 가능하다.

알려진 이동식 RF 기기들, 보통의 이동전화기들에서, 수신된 RF 신호들의 전자파 장해는 필터링에 의해 즉시 제거될 수 있지만, 본 발명에서는 감시되는 RF 채널에서 그런 전자파 장해가 평가되는 것이 제안된다. 만일 검출된 간섭이 뇌격에 기인하는 것처럼 보이면, 예를 들면 이동 전화기의 사용자는 경보를 받을 수 있다. 예를 들어, 만일 간섭이 기설정된 문턱값을 초과한다면 또는 만일 그것이 뇌격의 특성인 주파수 스펙트럼을 가진다면, 간섭은 뇌격에 의해 초래되는 것이라고 가정될 수 있다. RF 검출이 행하여지는 한, 번개 검출은 행하여질 수 있다.

본 발명은 그래서 이동식 RF 기기, 예를 들면 셀룰러 전화기에 구현될 수 있는 새로운 보안 특징을 제공한다.

많은 경우에, 부근에서 뇌격을 검출하고 싶은 욕구는 전용 번개 검출기에 수반되는 비용과 장애를 정당화할 만큼 충분히 크지 않을 수 있지만, 많은 사람이 그들이 어쨌든 벌써 지니고 있는 특히 이동전화기와 같은 기기에 통합될 수 있었던 저 비용 감지 시스템의 진가를 인정할 것이다. 공지의 기술은 알려진 이동식 RF 기기의 새로운 기능성으로서 번개 검출의 그러한 통합을 제공하진 않는다.

번개 검출 및 범위 변화(ranging) 특징이 예컨대 이동 전화기에서 소망의 특징일 것이라는 것이 확인되었다. 모바일 제품들에서 뇌격 검출 특징을 위한 충분한 검출 범위는 약 20-30 km 일 것이다. 이 검출 범위는 수신기 감도와 뇌격으로부터의 예상되는 방출력에 의존하는 적당한 범위로 제한될지도 모른다. 도 10은 많은 연구원에 의해 결정된 바와 같은 뇌격들에 의해 생성된 주파수들 및 진폭들을 그래프 형태로 보인다. 도 10에 따르는 그래프는 그래서 서로 다른 거리들에서의 뇌격들로부터 기대될 수 있는 신호들의 강도를 추정하기 위한 가이드라인으로서 사용될 수 있다. 이 그래프에서 거리는 10 km로 정규화되고 대역폭은 1 kHz로 정규화된다. 이 그래프에 따르면, 뇌격 신호들은 적어도 300 MHz까지 검출될 수 있다.

본 발명은 뇌우에 의해 생성된 착신(incoming) 스펙트럼이 이동식 RF 기기, 이를테면 셀룰러 전화기에서 이용 가능한 모든 또는 많은 가용 RF 채널들을 이용하여 연구되었다는 것에 기초한다. 많은 라디오(무선) 인터페이스(즉 3-대역(tri-band)의 3개의 대역들의 각각에 있는 수백 개의 채널들, 블루투스 수신기 주파수들, 파일럿 톤 채널을 포함한 FM 라디오, 와이-파이(Wi-Fi) 라디오 근거리 수신기, RFID 태그 판독기 및 심지어 RDS 및/또는 DARC 수신기들) 때문에, 본 발명은 번개 검출을 위한 새롭고 타당한 방법을 제공한다.

그래서 본 발명의 제1양태에 따르면, 본 발명은 채널들 중의 적어도 하나가 텔레콤 채널인 적어도 2개의 채널을 번개 검출을 위해 사용하는 것에 기초한다.

본 발명의 제1양태를 위해 그러므로 번개 검출기는 주파수 범위들 중의 적어도 하나는 보통은 텔레콤 채널인 적어도 2개의 주파수 범위들을 위한 라디오 인터페이스들이 제공되는 이동식 RF 기기인 것이 제안된다.

본 발명의 추가의 바람직한 실시예에서, 뇌격으로부터의 방출은 광대역 버스트이라는 것을 고려하여, 원격 통신을 위해 확보된 여러 개의 채널 또는 완전한 주파수 대역은 최대 에너지를 수신하고 그래서 최소한 민감도를 증가시키는 트리거링(triggering) 모드를 제공하는데 사용된다.

본 발명의 다른 추가 실시예에 따르면 대역들 중의 적어도 하나는 FM 방송 주파수 대역이다.

본 발명의 바람직한 실시예는 번개 검출에 FM 라디오 수신기의 적당한 부품들을 이용하고, 전용의 번개 검출 가지(branch)를 수신기에 추가한다.

본 발명의 바람직한 실시예들은 뇌격을 식별하고 측정하도록 FM 수신기를 변형하는 다수의 실시예를 더 구비한다. 이론에 따르면 FM 변조는 번개와 같은 대기 교란에 의해 야기되는 정전기와 크래킹을 최소화하기 위해 FM 변조가 특히 방송을 위해 선택된다. 그러나, 만일 FM 복조기, 특히 리미터 스테이지가 바이패스되고 결과적인 신호가 예컨대 AM 복조된다면, 뇌격으로부터 비롯되는 교란은 분석될 수 있다.

번개 검출기의 독특한 특징들과 본 발명에 따른 번개를 검출하는 방법은 동봉된 청구항들에 상세히 제시된다.

본 발명은 그것이 이동 전화기와 통합된 휴대형 번개 검출기를 제공할 수 있다는 이점을 가진다. 본 발명의 다른 양태는 하드웨어(HW) 변경이 최소화될 수 있는 방법들로 하드웨어 변경들이 최소화될 수 있고, 그래서 비용을 제한하고 시장 출시 시간을 줄인다.

다음으로, 본 발명은 첨부 도면들에 관해서 더 상세하게 기술될 것인데, 도면들 중에서

도 1은 운영 환경을 나타내며,

도 2는 보조 수신 대역들을 나타내며,

도 3은 단일 라디오 구현예의 블록도를 나타내며,

도 4는 단일 라디오 동작의 흐름도를 나타내며,

도 5는 다중 라디오 구현예의 블록도를 나타내며,

도 6은 다중 라디오 동작의 흐름도를 나타내며,

도 7은 번개 검출을 갖는 수신기의 블록도를 나타내며,

도 8은 번개 검출을 갖는 수신기의 대체 블록도를 나타내며,

도 9는 번개 검출을 갖는 변형된 수신기 변조기의 다른 블록도를 나타내며,

도 10은 번개 데이터 그래프이며,

도 11은 변형된 I/Q 복조기를 묘사하고,

도 12는 스위치를 갖는 변형된 I/Q 복조기를 묘사한다.

발명의 기본 원리는 번개 검출의 전기통신 무선 수신기의 적당한 부분들을 이용하고, 전용 번개 검출 가지를 수신기에 추가한다.

뇌격은 방송 라디오를 위해 사용된 주파수들로 검출 가능한 펄스들의 버스트들을 방출한다. 원래 FM 라디오 방송 시스템은 기존 AM 라디오 시스템이 예컨대 뇌격에 의해 생성된 간섭에 너무 민감했기 때문에 도입되었다. AM 라디오의 뇌격에 대한 감도에 관한 이유는 뇌격으로부터의 간섭이 진폭 변조된 신호와 합해진다는 것이다. 진폭의 간섭은 AM 무선 수신기에서 크랙클링(crackling) 정전기로서 들린다. 뇌격에 의해 방출된 신호의 세기 또한 FM 방송 주파수들(100 MHz 부근)보다 AM 방송 주파수들(1 MHz 부근)에서 더 높다. FM 시스템들에서 오디오 신호가 캐리어에 주파수 또는 위상 변화들이 변하도록 변조되므로, 진폭의 간섭은 수신된 신호에서 가청 크랙클링 또는 다른 오류를 초래하지 않는데, 왜냐하면 진폭이 변조되지 않으므로 그것은 FM 식별기 또는 비(ration) 검출기 앞의 리미터에 의해 제한될 수 있기 때문이다. 그러나, 만일 뇌격이 FM 수신기의 근처에서(몇몇 킬로미터 내에서) 발생하면, 예를 들면 배터리 전력공급형 FM 수신기로부터 들리는 간섭형 잡음 및 번개 섬광 사이의 상호 관계는 관찰될 수 있다.

하지만 만일 복조가 고려되지 않는다면, 유럽의 87.5 내지 108 MHz 주파수 대역과 미국의 88 내지 108 MHz 대역 및 일본의 76 내지 91 MHz 주파수 대역과 같이, 뇌격은 FM 라디오 수신을 위해 사용된 주파수들에서 검출가능한 펄스들의 버스트들을 여전히 방출한다. FM 변조가 뇌격에 기인하는 간섭에 대하여 강건(robust)하므로, 간섭은 전통적인 FM 무선 수신기들을 사용하는 것에 의해 들릴 수 없다. 번개 검출 특징은 AM 복조기처럼 작동하는 복조기를 필요로 한다. 이미 언급된 바와 같이, AM 복조기는 뇌격에 기인한 간섭에 대해 훨씬 더 민감하다. 추가적인 뇌격 검출기는 FM 복조기/수신기와 병렬로 추가될 수 있다. 번개 검출기 HW가 추가되어야만 하는 정확한 스테이지는 FM 무선 수신기에서 하향변환 믹서 뒤 그리고 리미터 스테이지 앞이다.

도 2의 묘사로 알 수 있는 바와 같이, FM 스테레오 방송이 주요한 모노포닉 FM 방송(21) 외에 부가적으로 좌우 스테레오 채널들의 재생성을 용이하게 하기 위해 19 kHz의 파일럿 부반송파(22)와 억제된 38 kHz의 중심 주파수 및 30 kHz 폭의 역 부반송파(23)를 포함한다.

프로그램 콘텐츠와 다른 데이터를 디스플레이가 장착된 라디오 수신기에 송신하기 위해 57 kHz 중심 주파수와 7 kHz 폭의 다른 라디오 데이터 시스템(Radio Data System; RDS) 부반송파(24)는 대부분의 FM 방송들에 나중에 추가되었다. 대략 76 kHz를 중심으로 한 새로운 32 kHz 폭의 데이터 라디오 채널(Data Ratio Channel; DARC) 부반송파(25)가 1995년에 ETSI에 의해 ETS 300751으로서 부가적으 로 표준화되었다.

현재, FM 채널 간격은 유럽에서는 100 kHz이고 미국에서는 200 kHz이다. RDS 신호의 수신은 100 kHz보다 다소 더 넓은 대역폭을 필요로 할 것이지만, RDS 방송이 있는 채널들이 유럽에서 더 넓은 채널 간격을 가지는지는명확하지 않다. 향후에 모든 새로운 FM 수신기들은 RDS 및 DARC 부반송파들을 담고 있는 전체(약 200 kHz의 폭) 주파수 대역을 수신할 수 있을 것이다.

뇌격에 의해 생성된 펄스들의 버스트는 수신기로 (적어도 비어 있는 FM 채널에서) 100 MHz 근처의 반송 주파수에서 검출하는 것이 가능하다. 도 2에서 나타낸 바와 같이, 적어도 만일 수신 채널이 약 300 kHz의 폭이라면 펄스 버스트의 수신은 가능하다. 더 좁은 대역폭들이 타당하기도 할지도 모른다. 실제 구현예에 따라 FM 수신기 프론트 엔드의 채널폭은 위에서 나타낸 바와 같이 약 100-200 kHz이다.

뇌격으로부터의 RF 방출의 스펙트럼이 저 주파수들에서 더 강하므로, FM 주파수들의 하단은 더 높은 것보다 좋다. 가장 타당한 FM 채널들은 76 MHz(일본), 87.5 MHz(유럽) 또는 88 MHz(미국)인 FM 주파수 대역의 하단 근처에 있다.

변경된 FM 수신기들을 사용한 번개 검출의 여러 개의 실시예가 지금 다음에서 기술될 것이다.

배치구성은 도 7에 묘사되는데 거기서 번개검출 블록(80)을 위한 신호(81 또는 83)는 리미터(75) 앞에서 갈라져 나오는데 왜냐하면 대부분의 번개 잡음 정보가 리미터(75)의 진폭 제한 동작에 의해 손실될 것이지만 오늘날 회로들에서처럼 전형 적인 차동신호로서 도면에서 보인 갈라져 나온 신호들(81, 82)은 영향을 받지 않고 뇌격 잡음에 관련되는 정보를 여전히 담고 있다.

안테나로부터 식별기(70, 71, 72, 73, 74, 75 및 76)까지의 FM 수신기 경로는 필립스에 의해 TEA5767으로서 판매되는 상용 IC에서의 상응하는 경로와 유사하고 간주될 수 있다.

실시예 1

제1실시예에서 안테나로부터 식별기(70, 71, 72, 73, 74, 75 및 76)까지의 FM 수신기 경로는 하향변환 믹서(73)와 리미터 스테이지(75) 사이에 있을 것인 추가적인 중간 출력(81)을 가진다. 회로 블록(74)은 증폭 및 주파수 선택 수단을 포함한다. 뇌격으로부터의 RF 방출에 기인하는 진폭 정보를 담고 있는 중간 신호는 번개 검출 특화 블록(80)에 81을 경유하여 입력한다. 대체 구현예에서 검출 대역폭은 선택된 FM 채널(100-200 kHz)과 유사할 것이다.

실시예 2

다른 대체 실시예에서 중간 출력(82)은 저잡음 전치 증폭기(72) 바로 뒤에 배치된다. 이 대체예에서 검출 대역폭은 안테나(70)와 저잡음 전치 증폭기(72) 사이의 FM 대역 필터(71)에 의해 통과되는 전체 FM 대역(예컨대 유럽의 87.5-108 MHz)일 것이다. 이 대체 실시예는 트리거 모드에서 번개 유사 신호들 위해 유익하게 사용될 수 있다. 대역 상의 수신 전력은 광대역 파워 검파기와 함께 측정될 수 있고 만일 빠른 광대역 신호(뇌격과 같음)가 신호의 안에 존재하면, 더 정확한 검출이 예컨대 FM 채널들 중의 하나에 대해 시작된다.

하나의 가능성은 번개 검출기를 위해 추가적인 별도의 하향변환 믹서를 가진다는 것이다. 이것은 도 8의 번개검출 블록(80)에서 83으로 표시되고 이 배치구성은 다른 또는 동일한 FM 대역들에서 동시적인 번개 검출 및 FM 라디오 수신을 허용할 것이다.

그러나, 이런 종류의 구현예는 만일 신호(82)가 제1실시예에서처럼 하향변환 믹섬(73) 뒤에서 갈라져 나오면 필요하지 않을 것인 번개 하향변환을 위한 전용의 추가적인 HW를 필요로 한다.

실시예 3

번개 검출은 비어 있는 FM 채널에서 유익하게 일어날 수 있다. 비어 있는 FM 채널의 발견은 기존의 FM 스테레오 수신기 경로를 사용하면 쉽다. 발견된 비어 있는 채널들은 번개 검출을 위해 사용될 수 있다. 위에서 나타낸 바와 같이, 비어 있는 FM 채널 상의 번개 검출은 FM 수신기에서 하향믹서 뒤의 중간 출력을 필요로 할 것이다. 그 이유는 FM 변조된 신호는 FM 식별기(76)에서 주파수 복조 전에 저 진폭으로 제한된다. 제한은 뇌격으로부터 RF 방출에 기인한 신호를 뽑아내고 리미터 뒤에서는 어떤 번개 검출도 가능하지 않다. 부가하여, 만일 어떤 FM 신호도 FM 채널에 존재하지 않으면, FM 복조기의 잡음은 상당히 증가한다. 단지 이 잡음 증가분은 번개의 검출을 어렵게 만들지만 그렇지 않으면 그것이 복조되지만 비어 있는 FM 채널로부터 가능할 것이다. 번개 검출을 위해 FM 식별기는 진폭 변화에 민감한 AM 검출기로 교체되어야만 한다.

비어 있는 FM 채널에 대해 전체의 채널은 이용될 수 있다. 기본 FM 스테레오 수신기의 경우에 Rx 채널은 중심 주파수 주위의 +/- 53 kHz 폭이다. 스테레오 FM RDS 수신기의 경우에 Rx 채널은 +/- 60 kHz 폭이고 DARC 호환성 FM 수신기의 경우에 채널 폭은 중심 주파수 주위의 +/-92 kHz이다.

실시예 4: FM 수신이 활동적인 동안의 검출

사용자의 관점으로부터의 최적의 상황은 FM 라디오 방송의 번개 검출 및 수신 둘 다를 동시에 허락하는 번개 검출 특징을 구현하는 것이다. 그러나 FM 라디오 신호는 지속적이고 그러므로 전송의 어떤 공백도 없고 그래서 만일 뇌격이 약하면(예를 들면 먼 거리의 뇌격), 무선 송신이 활동적인 FM 채널에서 뇌격을 검출하는 것은 어려울지도 모르지만, 이 실시예는 번개 경고 또는 트리거 목적을 위해 사용여전히 될 수 있다.

이제 구현을 위한 약간의 아이디어들은 다음과 같다:

a) 번개 검출은 19-kHz 부반송파 주위에서 수신된 신호에 기초하여 행해질 수 있다. 현재의 스테레오 FM 방송은 좁은 19 kHz의 파일럿 부반송파를 제외한 비어 있는 15-23 kHz 사이의 채널에 부반송파를 남겨준다. 파일럿 반송파들 주변의 이 주파수 부분은 모든 FM 채널에서 이용할 수 있다.

b) 하나의 대체예는 비활동적 RDS 또는 DARC 채널들에서 FM 스테레오 수신과 동시에 뇌격을 검출하는 것이다. 부가하여, 만일 RDS 및/또는 DARC가 전송에 공백을 포함한다면, 그 공백(gaps)은 스테레오 FM 수신과 동시에 뇌격을 검출하는데 사용될 수 있다.

c) FM 전송을 수신할 때 동시에 간섭을 검출하는 것이 가능하다. 만일 예를 들면 검출 가능한 간섭이 예컨대 19 kHz 파일럿 부반송파 주위의 채널에 존재하면, 더 정확한 번개 검출 모드는 가동될 수 있다. 더 정확한 검출은 비어 있는 FM 무선 채널에서 이루어지고 거리 추정도 포함할 수 있다. 트리거 모드는 단지 번개 유사간섭만 검출할 것이다.

d) 만일 수신 대역폭이 FM 방송 채널을 위해 필요한 100 kHz 개별 200 kHz 대역폭보다 더 넓도록 배치될 수 있다면, 번개 검출 또는 번개 트리거링은 FM 채널들 사이에서 수행될 수 있는데 왜나하면 실제로 인근 채널들이 좀처럼 사용되지 않기 때문이다.

실시예 5: 자동이득제어(AGC)의 이용

타당한 하나의 아이디어는 FM 수신기의 AGC 스테이지의 번개 검출을 위한 사용이다. AGC 기능은 FM 수신기(예컨대 필립스 TEA5767 FM 수신기 참조)에서 널리 사용되고 있다. 만일 AGC 회로의 루프들의 일부가 뇌격에 의해 생성된 신호 성분에 민감하게 될 수 있으면, 충분한 중간 신호를 직접 AGC 스테이지로부터 얻는 것이 가능할지도 모르고 다른 어떠한 변경도 FM 수신기 스테이지에서 필요하지 않다. 그러나, AGC 회로의 시정수(time constant)는 뇌격에 기인하는 짧은 펄스의 검출을 가능하게 할 만큼 충분히 짧게 조정되어야 한다.

외부 커패시터들이 온 칩 AGC 스테이지의 구현물에 종종 필요하게 되고 그러므로 만일 중간 출력이 이 외부 커패시터들에 연결될 수 있다면 집적회로에 대한 작은 변경만이 필요하다. 만일 펄스 검출이 타당하면, 아이디어는 만일 더 정확한 검출이 가능하지 않으면 최소한 트리거링 모드를 위해 사용될 수 있다. 다른 측정 모드가 거리 추정 등을 위해 구현될 수 있다.

실시예 6: 멀티모드 검출:

가장 단순한 모드에서, 하나의 라디오(즉 FM 무선 수신기)만이 검출 동안 이용된다. 도 3은 단일 라디오(31)를 포함하는 그런 시스템(34)을 묘사한다. 서로 다른 모드들이 프로세서(33)에 의해 전력 소비를 최적화하기 위해 사용된다. 예를 들면, 더 적은 전력 소비 모드에서 아마도 프론트 엔드만이 전력 절약 모드에서 켜지고 아날로그 피크 검출은, 위의 구현예 2에서 나타낸 바와 같이, ADC 및 프로세서처럼 더 전력 소비적인 구성요소들을 트리거하는데 사용된다. 완전히(full) 동작하는 번개 검출 및 트리거링 모드 사이에는, 기기가 번개 측정 모드로 전환하여야하는지 아니면 트리거링 모드로 되돌아가야 하는 지를 결정할 감시 모드가 있을 수 있다. 단일 라디오 구현예를 위한 동작의 운영 차트의 예가 도 4에 나타나있다. 단계 41의 저 전력 감시 모드 동안 수신된 신호는 단계 42에서 지속적으로 감시되고 만일 번개 활동이 검출되면 더 많은 전력이 소비되지만 더 정확한 검출 모드가 단계 43에서 선택되고 만일 단계 44에서 분석이 사용자 경보를 위한 기준을 충족시키면, 이것은 단계 45에서 행해지고, 그렇지 않으면 시스템은 단계 41에서 저 전력 감시 모드로 돌아간다.

다른 가능성은 도 5에 묘사된 시스템(53)에 그것들 중의 어느 것이나 공통 안테나 또는 별개의 안테나들을 사용하는 2개의 별개의 라디오들, 즉 주 번개 검출 라디오(51)와 더 적은 전력을 사용하지만 덜 정확한 다른 라디오(52)를 사용하는 것이다. 이 경우, 더 적은 전력을 소비하는 라디오(52), 예컨대 RFID 태그 판독기 는 트리거링 모드에서 사용된다. 멀티 라디오 구현예를 위한 동작의 운영 차트의 예가 도 6에 나타나있다. 비어 있는 채널의 저 전력 공급식 모니터링은 번개 검출을 위해 유익한 AM 검출을 사용하여 단계 61에서 발생한다. 번개 에너지가 AM 검출기에 의해 단계 62에서 검출될 때 프로세서(52)는 단계 63에서 다른 라디오를 제어하여 수신된 신호를 분석하고 만일 단계 64의 분석이 사용자 경보를 위한 기준을 충족시키면, 그것은 단계 65에서 행해지고, 그렇지 않으면 시스템은 기설정된 시간 후에 라디오(51)를 사용하는 단계 41의 저 전력 감시 모드로 복귀한다.

실시예 7: 번개 검출을 위한 에너지-최적화, 멀티모드 다중대역, 트리거링 시스템:

각 모드가 어느 수준의 광검출 및 범위결정(ranging)을 할 수 있는 최소한 2개의 모드에서 동작할 수 있는 이동식(mobile) 기기는 이 기술분야에서 기술되어 있다. 이 모드들은 동일한 라디오를 다른 방식들로 이용할 수 있거나 별개의 라디오들을 각종의 모드를 위해 이용할 수 있다. 이 실시예는 도 3과 도 5 각각에 제어기(33, 53)를 포함하는데, 그것은 트리거될 때 더 많은 전력 소비 모드들을 런칭할 수 있도록만, 가능한 한 저 에너지 "트리거링" 모드에 기기를 유지할 수 있게 한다. 제어기는 반 수동식 저 에너지 소비 "트리거링" 모드를 위해 최적의 라디오를 선택하며: 그 라디오는 번개에 관련될 수 있지만 추가의 처리를 이루지는 않는 모든 EMI 펄스들에 단순히 응답한다. 대신, 트리거될 때, 그것은 더 많은 에너지를 소비할 수 있는 "감시" 모드를 연다. 이것은 다른 라디오일 수 있거나, 또는 다른 모드에서 동작하는 동일한 라디오일 수 있다. 감시 모드는 EMI 펄스들을 더 정확하 게 평가한다. 만일 그것이 번개 사건(이벤트)일 양호한 기회를 가지는 이벤트를 검출한다면, 그 경우에만 "측정" 모드가 열린다. 이 모드에서, 완전(full) 처리 전력은 가능한 뇌격을 최상으로 가능한 정확도로 검출, 식별, 및 평가하는데 사용된다. 바람직한 실시예에서, 측정 모드는 가능한 검출 채널들 중의 2개 이상을 연다.

모드 구조가 설명된 것보다 더 단순할 수 있거나 더 복잡할 수 있다는 점에 주의한다. 가장 단순한 가능한 모드에, 측정 모드를 직접 런칭하는 트리거링 모드(예컨대, RFID)가 있다. 더 복합한 시스템들에, 다중 트리거링&감시&측정 모드들이 있을 수 있다.

번개 검출에서 사용하는 것이 가능한 라디오 수신기 조합들의 수는 비교적 많다. 아래는 가능한 조합들의 짧은 목록과 트리거 모드 및 검출 모드를 별도로 사용하는 것에 의해 전력이 어떻게 절약되는지의 평가이다.

오디오 ＋ AM / FM 사용

대부분의 현재 상용 번개 검출기들은 비교적 낮은 주파수들 즉 수백 Hz 내지 10-100 kHz까지의 가청 주파수에서 동작한다. 일부 상용 또는 연구조사 검출기들은 또한 AM 또는 FM 주파수들에서 동작한다. 양호하고 전력 효율적인 번개 검출기 구현예가 AM 및/또는 FM 수신기가 어떤 식으로든 존재하는 기기들에서 특히 오디오 및/또는 AM/FM 주파수들에서 수신기들을 동시에 이용하는 것은 매우 있음직해 보인다. 다중 주파수 대역들(서로로부터의 충분히 먼)에 대한 검출은 뇌격에 대해 거리에 관한 양호한 추정을 준다. 반면에, 만일 여러 개의 수신기가 동시에 활동적이라면 소비 전력은 물론 더 높다. 그러므로 트리거 및 측정 모드들을 분리했던 것은 유익하다. 다른 수신기들 및 부분들의 현재의 소비 및 감도에 따라 트리거링 수신기는 오디오, AM 또는 FM 수신기 중의 어느 것이 될 수 있다. 예를 들면, 가청 주파수 경로 위에 구현된 피크 검출기는 여러 개의 주파수들에 대해 더 정확한 검출을 하게 하도록 트리거일 수 있다.

RFlD 사용:

이전에 언급된 바와 같이, 변경된 RFID 판독기는 더 정확한 번개 검출 모드를 런칭하기 위한 트리거링 기기로서 사용될 수 있다. RFID 판독기 프론트 엔드는 예를 들면 주파수 선택적인(5-10 kHz) 피크 검출기를 추가하는 것에 의해 변경될 수 있다. 만일 일부 미리 정의된 피크 레벨이 트리거링 모드에서 초과되면, 측정 모드는 런칭될 것이다. 측정 모드는 예를 들면 오디오 및/또는 AM/FM 기반 검출 및 범위결정(ranging)의 사용을 포함할 수 있다.

주파수 100 MHz 및 그 이상에서의 검출에 기반한 검출:

번개 관련 문헌에 따르면, 번개의 상과 유형에 따라, 상대적으로 높은 주파 수들에서 전자기 방출이 존재한다. 예를 들면, 구름-구름 번개는 GHz 주파수에서 신호를 방출한다. 부가적으로, 구름-땅 번개의 계단형 리더 상(stepped leader phase)은 높은 주파수들을 방출한다. 그래서, 더 높은 주파수에서의 방출의 검출은 측정 모드를 트리거할 수 있는 증가된 번개 확률을 위한 지시기(indicator)일 수 있다. 그러나. 도 9에서 묘사된 그래프로부터 알 수 있는 바와 같이, GHz 주파수들에서의 방출의 전력은 비교적 낮고 그러므로 트리거링 기기의 감도는 높아지게 된다.

인공 EMC 제거

게다가, 이른바 인공 잡음 제거는 수신된 신호로부터 고정된 간격의 피크들을 발견하고 그것들을 필터링할 수 있는 소프트웨어 기능으로서 구현될 수 있다. 이것은 예를 들면 검출된 간격들의 기록을 유지하고 만일 약간의 특정 간격들이 일정하게 나타나거나 또는 어떤 기간 일정하게 포함하는지를 분석하는 것에 의한 구현들일 수 있다. 인공 잡음 동안 번개 검출은 스위치를 끄게 될 수 있다.

다른 보조 수신기들 사용

위의 설명이 번개 검출에서 FM 라디오의 사용에 주로 관련되었지만, 또한 다른 주파수 범위들, 즉 3-밴드 수신기의 3개의 대역의 각각에 있는 수백 개의 채널, 블루투스 수신기 주파수들, 파일럿 톤 채널을 포함하는 FM 라디오, 와이-파이(Wi-Fi) 라디오 근거리 수신기, RFID 태그 판독기 및 심지어 RDS 수신기가 사용될 수 있다.

I/Q 가지들을 비대칭적으로 사용

수신 동안 신호가 동위상 및 직각위상 가지들을 갖는 복조기에서 전형적으로 디코딩된다. 이 가지들은 국소 발진기 신호의 제거 시의 에러들을 최소화하기 위해 전통적인 수신기들에서 가능한 한 대칭적으로 만들어진다. 예를 들면, 주파수와 이득은 양쪽 가지들에 대해 전통적으로 동일한 것이다. 그러나, 낙뢰의 전자기 시그너쳐에서 번개에는 어떤 위상 정보도 없고, 그래서 번개 검출은 단지 신호의 크기와 엔벨로프 형상을 기초로 하여 만들어질 수 있다. 그러므로 수신기의 I 및 Q 가지들을 별도로 사용하는 것이 가능하며, 즉 수신기는 번개 검출기가 신호의 다른 특성들을 검출하는 2개의 채널을 이용하도록 변경될 수 있다.

I/Q 가지들에서 다른 LO 주파수 사용

전형적인 이중 분기 I/Q 복조기가 하나의 모드에서 다른 주파수들에서 뇌격을 검출하는데 사용되도록 배치될 수 있는 반면 다른 정상 모드에서 특히 만일 배치구성이 이 정상적인 사용에 정밀한 가지 균형에 영향을 주지 않는다면 전형적으로 기능하도록 배치될 수 있다. 예를 들면, 그리고 도 10에 의해 묘사된 바와 같이, 하나의 가지에 대한 국소 발진기 주파수는 디지털 수단을 사용하여, 예컨대, 국소 발진 신호를 조절하는 프로그램 가능 카운터(101)를 사용하여 변경될 수 있다. 이 방식의 I/Q 복조기의 동위상 및 직각위상 가지들을 사용하는 것은 다른 주파수들에서 동작하는 2개의 다른 라디오 수신기를 가지는 것과 등가이고 단순한 다중 수신기들을 구현하는데 매우 비용 효율적인 방식이다.

I/Q 가지들에 다른 이득 사용

전형적인 이중 분기 I/Q 복조기는 하나의 모드에서는 다른 가지에서 다른 이득으로 동작하는 반면 다른 모드에서는 방송 수신을 위해 정상적으로 기능하도록 추가로 배치구성될 수 있다. 이것은 도 11에서 묘사되는데 거기서 제어 수단(111 및 112)은 동위상과 직각위상 가지들 각각에서 이득을 조절한다. 뇌격 신호들의 진폭들이 커다란 변동을 보이기 때문에, 이것은 낙뢰의 멀고 가까운 검출을 구현하는데 매우 효과적인 방식이고 이 방법은 또한 이전에 논의된 감시 모드에서의 트리거링을 위해 유익하게 사용될 수도 있다.

기저대역 모드에서 하나의 가지 사용

도 12는 하나의 가지가 어떠한 주파수 변환 없이 기저대역 모드에서 사용될 수 있고 도 9에 묘사된 그래프에 따르면 저 주파수 에너지에서, 특히 저 주파수들(91)에서 가치가 있는 낙뢰를 수신하기에 매우 효율적인 방법을 묘사한다. 적당한 더 긴 와이어 안테나(121), 예를 들면 헤드셋 와이어 안테나가 이 방식으로 유익하게 사용될 수 있다. 가지에 증폭, 필터링 및 데이터 변환(126) 수단의 사용은 그래서 매우 비용 효율적으로 사용될 수 있어 만일 스위치(124)가 프론트 엔드(122)로부터의 또는 직접 안테나로부터의 신호를 스위치(124)에 의해 증폭 및 필터링 경로로 전환되고 도 12의 아날로그-디지털 변환기(126)에 의해 변환되도록 배치구성된다면 유익하게 된다. 이 목적을 위해 사용될 때 증폭 및 필터링 경로를 위한 적당한 이득은 제어기(125)를 사용하여 선택될 수 있다.

이 기술분야의 통상이 지식을 가진 자에게는 발명의 다른 실시예들이 위에 기술된 예에 제한되지 않고 그 실시예들이 동봉된 청구항들의 범위 내에서 변할 수 있다는 것이 명백하다.

Claims

번개 검출기는 번개 검출을 위해 적어도 2개의 별개의 채널 또는 주파수 대역을 사용함으로써, 뇌격으로부터의 방출(emission)은 광대역 버스트이고,

번개 검출기는 적어도 2개의 통신 채널 또는 주파수 대역을 위한 무선 인터페이스들이 제공된 이동식 RF 기기이고,

적어도 2개의 통신 채널 또는 주파수 대역 중의 적어도 하나는 보통은 텔레콤 채널/주파수범위이고 이 채널들/범위들은 번개 검출에 사용되는 번개 검출기에 있어서,

원격 통신을 위해 확보된 여러 개의 채널 또는 완전한 주파수 대역이 적어도 트리거링 모드를 제공하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 번개 검출기.
제1항에 있어서, 채널들 중의 적어도 하나는 FM 주파수 채널인 것을 특징으로 하는 이동식 번개 검출기.
제1항에 있어서, FM 복조기, 특히 리미터 스테이지는 바이패스되고 결과적인 신호는 복조됨으로써, 뇌격들로부터 비롯된 교란은 분석될 수 있는 것을 특징으로 하는 이동식 번개 검출기.
제4항에 있어서, 결과적인 신호는 AM 복조된 것을 특징으로 하는 이동식 번 개 검출기.
제2항에 있어서, 추가적인 뇌격 검출기가 FM 복조기/수신기와 병렬로 배치된 것을 특징으로 하는 이동식 번개 검출기.
제5항에 있어서, 번개 검출기 HW는 FM 무선 수신기에서 하향변환 믹서 뒤와 리미터 스테이지 앞에 추가되는 것을 특징으로 하는 이동식 번개 검출기.
제2항에 있어서, 비어 있는 FM 채널이 번개 검출을 위해 사용됨으로써, 상기 검출기는 FM 수신기에서 하향믹서 뒤에 중간 출력을 가지는 것을 특징으로 하는 이동식 번개 검출기.
제2항에 있어서, 번개 검출 특징을 구현하기 위해 동시적인 번개 검출 및 FM 라디오 신호의 수신이 사용되는 것을 특징으로 하는 이동식 번개 검출기.
제2항에 있어서, 번개 검출에서 FM 수신기의 AGC 스테이지를 사용하는 것을 특징으로 하는 이동식 번개 검출기.
제2항에 있어서, 하나의 라디오(즉 FM 무선 수신기)만이 검출 동안 이용되는 것을 특징으로 하는 이동식 번개 검출기.
제2항에 있어서, 2개의 별개의 라디오인, 주 번개 검출 라디오 및 적은 전력을 사용하지만 덜 정확한 다른 라디오를 사용하는 것을 특징으로 하는 이동식 번개 검출기.
제11항에 있어서, 적은 전력 소비의 라디오, 예컨대, RFID 태그는, 트리거링 모드에서 사용되는 것을 특징으로 하는 이동식 번개 검출기.
제1항에 있어서, I/Q 복조기는 여전히 다른 모드에서 정상적으로 동작하는 동안 낙뢰를 검출하기 위해 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는 이동식 번개 검출기.
번개 검출이 번개 검출을 위한 적어도 2개의 별개의 채널 또는 주파수범위를 사용함으로써 뇌격으로부터의 방출은 광대역 버스트이며,

번개 검출기는 적어도 2개의 통신 채널 또는 주파수 대역을 위한 무선 인터페이스들이 제공된 이동식 RF 기기이고,

적어도 2개의 통신 채널 또는 주파수 대역 중의 적어도 하나는 보통은 텔레콤 채널/주파수범위이고 이 채널들/범위들은 번개 검출에 사용되는 번개 검출 방법에 있어서

원격통신을 위해 확보된 여러 개의 채널 또는 완전한 주파수 대역이 적어도 트리거링 모드를 제공하기 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 번개 검출 방법.
제14항에 있어서, 주파수 대역들 중의 적어도 하나는 FM 주파수 채널인 것을 특징으로 하는 방법.
제14항에 있어서, 다음을 특징으로 하는 방법.FM 복조기, 특히 리미터 스테이지는 바이패스되고 결과적인 신호는 복조됨으로써, 뇌격들로부터 비롯된 교란은 분석될 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
제16항에 있어서, 결과적인 신호는 AM 복조된 것을 특징으로 하는 방법.
제15항에 있어서, 추가적인 뇌격 검출기가 FM 복조기/수신기와 병렬로 배치된 것을 특징으로 하는 방법.
제18항에 있어서, 번개 검출기 HW는 FM 무선 수신기에서 하향변환 믹서 뒤와 리미터 스테이지 앞에 추가되는 것을 특징으로 하는 방법.
제15항에 있어서, 비어 있는 FM 채널이 번개 검출을 위해 사용됨으로써, 상기 검출기는 FM 수신기에서 하향믹서 뒤에 중간 출력을 가지는 것을 특징으로 하는 방법.
제15항에 있어서, 번개 검출 특징을 구현하기 위해 동시적인 번개 검출 및 FM 라디오 신호의 수신이 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
제15항에 있어서, 번개 검출에서 FM 수신기의 AGC 스테이지를 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
제15항에 있어서, 하나의 라디오(즉 FM 무선 수신기)만이 검출 동안 이용되는 것을 특징으로 하는 방법.
제15항에 있어서, 2개의 별개의 라디오인, 주 번개 검출 라디오 및 적은 전력을 사용하지만 덜 정확한 다른 라디오를 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
제24항에 있어서, 적은 전력 소비의 라디오, 예컨대, RFID 태그는, 트리거링 모드에서 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
제13항에 있어서, I/Q 복조기는 여전히 다른 모드에서 정상적으로 동작하는 동안 낙뢰를 검출하기 위해 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
제14항에 있어서, 인공 잡음 제거는 고정 간격 피크들을 수신된 신호에서 발 견할 수 있고 그것들을 필터링하는 소프트웨어 기능으로서 구현될 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
제27항에 있어서, 인공 잡음 동안 번개 검출은 스위치 오프될 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
제14항에 있어서, 검출 모드들 및 채널들의 선택은 기기 전력 사용을 최적화하기 위한 것임을 특징으로 하는 방법.
제29항에 있어서, 상기 기기는 이동식 RF 기기이고, 상기 선택은 어떤 채널들이 이용가능한지를 고려할 수도 있고, 만일 주어진 라디오가 사용중이라면, 다른 이용가능한 라디오로 전환하는 것이 필요한 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서, 수신기의 I/Q 하향 믹서는 다른 국부 발진기 주파수들을 가지는 동위상 및 직각위상 가지들을 사용하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 번개 검출기.
제14항에 있어서, 수신기의 I/Q 하향믹서는 다른 국부 발진기 주파수들을 갖는 동위상 및 직각위상 가지들을 사용하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 번개 검출 방법.
제1항에 있어서, 수신기의 I/Q 하향믹서는 다른 국부 가지 이득들을 갖는 동위상 및 직각위상 가지들을 사용하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 번개 검출 방법.
제14항에 있어서, 수신기의 I/Q 하향믹서는 다른 국부 가지 이득들을 갖는 동위상 및 직각위상 가지들을 사용하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 번개 검출 방법.