Sistema y procedimiento para detectar, transmitir y evaluar datos e información que se producen por radiación electromagnética.

Sistema (100) para detectar, transmitir y evaluar datos e información (D o D*) que se producen por radiación electromagnética, en particular de baja frecuencia, que presenta

- varias estaciones de medición

(20 o 20*) separadas espacialmente

-- con en cada caso al menos un cuerpo de antena (30), en particular de banda ancha, para detectar señales (S o S*) que se pueden asignar a la radiación electromagnética así como

-- con en cada caso al menos un dispositivo de medición de tiempo (38), en particular al menos un reloj G[lobal]P[ositioning]S[ystem], para determinar el respectivo desarrollo temporal, en particular el respectivo tiempo de llegada, de las señales detectadas (S o S*),

- procediendo la radiación electromagnética de al menos una fuente de impulso de origen natural, en particular de al menos una descarga atmosférica (P), y

- en el que

-- la altura (H) de la fuente de impulso, en particular la altura de emisión, y

-- la direccionalidad (C), en particular el desarrollo espacial de la dirección de la emisión de impulsos o del envío de impulsos provocado por la fuente de impulso

- se localizan al determinarse la desviación del tiempo de llegada de la señal (S) en la estación de medición (20) más próxima a la fuente de impulso con respecto al tiempo de llegada de la señal (S*) en al menos una, preferiblemente al menos dos de las estaciones de medición (20*) no más próximas a la misma fuente de impulso,

caracterizado por que, en particular en el caso de fuentes de impulso lineales, la direccionalidad (C) de la emisión de impulsos o del envío de impulsos

- se identifica como fundamentalmente vertical cuando la amplitud (A) de la señal (S o S*) se comporta de manera proporcionalmente recíproca con respecto a la distancia (R) de la fuente de impulso con respecto a la respectiva estación de medición (20 o 20*), y

- se identifica como fundamentalmente horizontal cuando la amplitud (A) de la señal (S o S*) se desvía con respecto a la proporcionalidad recíproca, y se puede corregir esta desviación teniendo en cuenta

-- el ángulo de altura y

-- el ángulo entre el eje de emisión de impulsos o el eje de envío de impulsos, en particular el eje de descarga, y la dirección hacia la respectiva estación de medición (20 o 20*).

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2005/050355.

Solicitante: NOWCAST GMBH.

Nacionalidad solicitante: Alemania.

Dirección: SAUERBRUCHSTRASSE 48 81377 MÜNCHEN ALEMANIA.

Inventor/es: OETTINGER,WOLF PETER.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > MEDIDA DE VARIABLES ELECTRICAS; MEDIDA DE VARIABLES... > Dispositivos para realizar medidas o indicaciones... > G01R29/08 (Medida de las características del campo electromagnético)
  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > LOCALIZACION DE LA DIRECCION POR RADIO; RADIONAVEGACION;... > Establecimiento de la posición mediante la coordinación... > G01S5/06 (La posición de la fuente se determina mediante la coordinación de una pluralidad de líneas de posición definidas mediante medidas relacionadas con la diferencia de caminos (G01S 5/12 tiene prioridad))
  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > LOCALIZACION DE LA DIRECCION POR RADIO; RADIONAVEGACION;... > Establecimiento de la posición mediante la coordinación... > G01S5/02 (usando ondas de radio (G01S 19/00  tiene prioridad))
  • SECCION G — FISICA > METROLOGIA; ENSAYOS > METEOROLOGIA (radar, sonar, lidar o sistemas análogos,... > Meteorología > G01W1/16 (Medida del gradiente de potencial eléctrico de la atmósfera, p. ej. debido a las cargas eléctricas en las nubes)

PDF original: ES-2492565_T3.pdf

 

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Fragmento de la descripción:

Sistema y procedimiento para detectar, transmitir y evaluar datos e información que se producen por radiación electromagnética

Campo técnico

La presente invención se refiere a un sistema y a un procedimiento para detectar, transmitir y evaluar datos e información que se producen por radiación electromagnética (véase el documento US 6 246 367 B1 del estado de la técnica).

Estado de la técnica

Desde más de una década se utilizan a nivel mundial sistemas de posicionamiento de rayos que permiten la localización de rayos de suelo con una precisión local creciente, que en el caso de redes modernas se sitúa en el intervalo de menos de un kilómetro. La eficacia de demostración se indica para rayos con una intensidad superior a cinco kiloamperios con más de un noventa por ciento en la mayoría de los casos, aunque en el caso de rayos más débiles no se conocen datos estadísticamente fiables.

Tradicionalmente, las redes operativas están concebidas de modo que se notifican principalmente rayos de suelo (= CG o Cloud-Ground) y se suprimen, en la medida de lo posible, rayos nube-nube (= l[ntra] C[loud] dentro de una nube de tormenta o C[loud-]C[loud] entre nubes de tormenta). Sin embargo, últimamente aumenta la tendencia de detectar también descargas en las nubes para fines de uso meteorológico.

Una diferenciación de rayos CG y rayos IC/CC es posible con métodos especiales, en particular con procedimientos tridimensionales (los denominados procedimientos 3D), pudiendo también combinarse entre sí mediciones en el intervalo V[ery]H[igh]F[requency] (de frecuencia muy elevada) y en el intervalo V[ery]L[ow]F[requency] (de frecuencia muy baja) [véase Kawasaki, Z.-l. et al. (1994), "SAFIR operation and evaluation of its performance", Geophys. Res. Lett. 21(12), páginas 1133 a 1166; Thery, C. (21), "Evaluation of LPATS data using VHF Interferometric observations oflightning flashes during the ÉULINOX experimenta Atmospheric research 56, páginas 397 a 49].

En el artículo de Jacobson et al. (2), "FORTE radio-frequency observations of lightning strokes detected by the National Lightning Detection NetWork", J. Geophys. Res. 15, páginas 15653 a 15662, se describe por ejemplo un procedimiento tridimensional en el que se realiza una marcación tridimensional en primer lugar con frecuencias de radio VHF y, a continuación, se busca mediante una coincidencia temporal la señal VLF asociada a partir de una red VLF bidimensional existente (la denominada NLDN).

Además, Smith et al. (1999) describen en el artículo "A distinct class of isolated intracloud lightning discharges and their associated radio emissions", J. Geophys. Res. 14, páginas 4189 a 4212, un procedimiento tridimensional que sin embargo prevé una marcación meramente VHF sin ninguna relación con VLF.

Un procedimiento tridimensional con una buena resolución de canales de descarga describen Krehbiel et al. (1999) en la publicación "Three-dimensional lightning mapping observations during MEAPRS in central Oklahoma", 11 th Int. Conf. on Atmosph. Electricity, NASA/CP, Alabama, junio de 1999, páginas 376 a 379. Sin embargo, este procedimiento a su vez no tiene ninguna relación con VLF y se basa meramente en la marcación VHF en las nubes.

Ya de forma muy temprana se indica en el documento de Taylor (1978), "A VHF technique for space-time mapping of lightning discharge processes", J. Geophys. Res. 83, páginas 3575 a 3583, la posibilidad de realizar una marcación espacial directa de lugares de emisión altos mediante mediciones de tiempo de propagación.

En este procedimiento conocido se miden mediante dos estaciones muy contiguas, que requieren en cada caso también dos sensores en una disposición vertical (entre otras cosas, cerca del suelo y a una altura de aproximadamente quince metros), diferencias de tiempo de propagación en el intervalo de los nanosegundos y de este modo se determinan los ángulos de elevación cuyo punto de intersección mediante una triangulación da como resultado los lugares de emisión.

Procedimientos tridimensionales adicionales se describen en los siguientes documentos:

- Richard and Auffray (1985), "VHF-UHF interferometric measurements, applications to lightning discharge mapping", Radio Science 2, páginas 171 a 192;

Rhodes et al. (1994), "Observations of lightning phenomena using radio interterometry", J. Geophys. Res. 99, páginas 1359 a 1382;

Laroche et al. (1996), "3D structure of lightning discharge within storms", 1th Int. Conf. Atmosph. Electrcity, Osaka, 1 de junio de 1996 hasta 14 de junio de 1996, páginas 33 a 332;

- Onuki et al. (1996), "Imaging of lightning channel in three dimensions using interferometer", 1th Int Conf. Atmosph. Electricity, Osaka, 1 de junio 1996 hasta 14 de junio de 1996, páginas 325 a 332; y

- Richard and Lojou (1996), "Assessment of application of storm cell electrical activity monitoring to intense precipitation fore-cast', 1th Int. Conf. Atmosph. Electricity, Osaka, 1 de junio de 1996 hasta 14 de junio de 1996, páginas 284 a 287.

Sin embargo, los procedimientos de posicionamiento empleados a nivel mundial por superficies grandes se basan en sistemas bidimensionales menos complicados (los denominados sistemas 2D) en los que la diferenciación entre rayos CG y rayos IC/CC resulta más difícil. Aunque algunos fabricantes señalan procedimientos de diferenciación fiables que dependen de la forma de impulso, no obstante, en total la literatura con respecto a esta problemática es extremadamente contradictoria.

Exposición de la invención: Objetivo, solución, ventajas

Partiendo de los inconvenientes y deficiencias anteriormente expuestos así como valorando el estado de la técnica definido, la presente invención se basa en el objetivo de perfeccionar un sistema del tipo mencionado al inicio así como un procedimiento del tipo mencionado al inicio de modo que se garantice una caracterización precisa de la fuente de impulso, por ejemplo, una diferenciación fiable entre rayos nube-tierra (C[loud]G[roundj) y rayos nube- nube (= l[ntra]C[loud] dentro de una nube o C[loud-]C[loud] entre nubes).

Este objetivo se consigue según la enseñanza de la presente invención mediante un sistema con las características indicadas en la reivindicación 1 así como mediante un procedimiento con las características indicadas en la reivindicación 1. Configuraciones ventajosas y perfeccionamientos convenientes de la presente invención están identificados en las respectivas reivindicaciones dependientes.

Por tanto, la parte fundamental de la presente invención consiste en la marcación tridimensional de emisiones de impulsos/envíos de impulsos de origen natural y/o no natural, en particular de rayos, de emisiones de descarga, de envíos de descarga o similares, en redes V[ery]L[ow]F[requency] (de frecuencia muy baja); en particular no es necesario un uso de frecuencias en el intervalo de radio o V[ery]H[igh]F[requency] (de frecuencia muy elevada).

Para la diferenciación con respecto a procedimientos de marcación convencionales ya conocidos es válido para la presente invención que la marcación no se realiza sólo con uno o dos sensores próximos a la fuente de impulso, en particular próximos al rayo, de forma directa, es decir, no mediante una marcación local en altura, sino mediante el uso de desviaciones de los tiempos de llegada de señal en las estaciones de sensor más próximas en cada caso a la fuente de impulso, en particular más próximas al rayo, con respecto a otras estaciones de sensor, no más próximas a la fuente de impulso, en particular no más próximas al rayo.

Por consiguiente, la presente invención trata de un sistema de posicionamiento de impulsos nuevo concebido, en particular un sistema de posicionamiento... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Sistema (1) para detectar, transmitir y evaluar datos e información (D o D*) que se producen por radiación electromagnética, en particular de baja frecuencia, que presenta

- varias estaciones de medición (2 o 2*) separadas espacialmente

- con en cada caso al menos un cuerpo de antena (3), en particular de banda ancha, para detectar señales (S o S*) que se pueden asignar a la radiación electromagnética así como

- con en cada caso al menos un dispositivo de medición de tiempo (38), en particular al menos un reloj G[lobal]P[ositioning]S[ystem], para determinar el respectivo desarrollo temporal, en particular el respectivo tiempo de llegada, de las señales detectadas (S o S*),

- procediendo la radiación electromagnética de al menos una fuente de impulso de origen natural, en particular de al menos una descarga atmosférica (P), y

- en el que

-- la altura (H) de la fuente de impulso, en particular la altura de emisión, y

-- la direccionalidad (C), en particular el desarrollo espacial de la dirección de la emisión de impulsos o del envío de impulsos provocado por la fuente de impulso

- se localizan al determinarse la desviación del tiempo de llegada de la señal (S) en la estación de medición (2) más próxima a la fuente de impulso con respecto al tiempo de llegada de la señal (S*) en al menos una, preferiblemente al menos dos de las estaciones de medición (2*) no más próximas a la misma fuente de impulso,

caracterizado por que, en particular en el caso de fuentes de impulso lineales, la direccionalidad (C) de la emisión de impulsos o del envío de impulsos

- se identifica como fundamentalmente vertical cuando la amplitud (A) de la señal (S o S*) se comporta de manera proporcionalmente recíproca con respecto a la distancia (R) de la fuente de impulso con respecto a la respectiva estación de medición (2 o 2*), y

- se identifica como fundamentalmente horizontal cuando la amplitud (A) de la señal (S o S*) se desvía con respecto a la proporcionalidad recíproca, y se puede corregir esta desviación teniendo en cuenta

- el ángulo de altura y

- el ángulo entre el eje de emisión de impulsos o el eje de envío de impulsos, en particular el eje de descarga, y la dirección hacia la respectiva estación de medición (2 o 2*).

2. Sistema según la reivindicación 1, caracterizado

- por que varias señales (S o S*) que proceden de fuentes de impulso de un intervalo delimitado de manera espacial y/o temporal se agrupan y

- por que la desviación de la amplitud (A) de una señal individual (S o S*) se relaciona con la desviación, en particular media, de la amplitud (A) del grupo asignado a la señal (S o S*), en particular para eliminar un efecto de atenuación provocado por una conductividad de suelo variable.

3. Sistema según las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por que la emisión de impulsos o el envío de impulsos se constata desde alturas (H) en el intervalo kilométrico mediante una comparación de distribuciones de desviaciones de tiempo (dT) medidas en al menos una estación de medición (2) más próxima a la fuente de impulso y en al menos dos estaciones de medición (2*) no más próximas a la misma fuente de impulso de al menos dos tiempos de emisión de impulsos o tiempos de envío de impulsos, en particular de al menos dos tiempos de descarga (Tp).

4. Sistema según al menos una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que la altura (H) de la fuente de impulso y la direccionalidad (C) de la emisión de impulsos o del envío de impulsos se determina mediante la estación de medición (2) más próxima a la fuente de impulso así como mediante una única estación de medición (2*) no más próxima a la fuente de impulso cuando se determina la dirección de incidencia de la emisión de impulsos o del envío de impulsos.

5. Sistema según al menos una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que las estaciones de medición (2 o 2*) presentan en cada caso al menos un sistema electrónico de estación (4) dispuesto separado del cuerpo de antena (3) para procesar las señales (S o S*) detectadas mediante el respectivo cuerpo de antena (3) con respecto a los datos y la información (D o D*), presentando el sistema electrónico de estación (4)

- al menos una unidad amplificadora (42) para la amplificación con poco ruido de las señales (S o S*) detectadas mediante el respectivo cuerpo de antena (3);

- al menos una unidad de filtro (44) para filtrar las señales (S`) amplificadas mediante la unidad amplificadora

(42), en particular con respecto a señales parásitas técnicas que proceden de, por ejemplo, emisoras de radio;

- al menos una unidad de conversión A[nalógico]/D[igital] (46) para convertir las señales (S") filtradas mediante la unidad de filtro (44) con respecto a los datos y la información digitales (D o D*); así como

- al menos un umbral autorregulador para optimizar la sensitividad del sistema electrónico de estación (4).

6. Sistema según al menos una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que la señal (S o S*)

- se dota al menos de una marca de tiempo, en particular múltiple, y/o con al menos una trama de tiempo y/o de al menos un sello de tiempo y, en particular mediante la unidad amplificadora (42) y/o mediante la unidad de filtro (44), se alisa y se optimiza y

- se analiza con respecto a su estructura de señal, en particular con respecto a su estructura de señal situada por encima del umbral autorregulador, después de este alisamiento y la optimización, de modo que con respecto a la señal (S o S*), en particular en función de su forma de impulso, se proporciona una multitud o pluralidad de informaciones de tiempo y/o de estructura.

7. Sistema según al menos una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado

- por que el cuerpo de antena (3) está diseñado en una forma mecánicamente autoportante sin componentes móviles o sensibles a la intemperie para colocarse al aire libre,

- por que el círculo primario del cuerpo de antena (3) está separado galvánicamente del círculo secundario del cuerpo de antena (3) y

- por que los campos electromagnéticos se desacoplan con una banda ancha y con poco ruido y, con ello, se miden con una precisión temporal.

8. Sistema según al menos una de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado por que las estaciones de medición (2 o 2*)

- están dispuestas a una distancia (d) de aproximadamente cien kilómetros entre sí y

- están conectadas en cada caso mediante una conexión bidireccional (6), en particular alámbrica o inalámbrica, con una estación central (1) a la que se transmite al menos una parte, en particular al menos un parámetro seleccionado, de los datos e información (D o D*) detectados, procesados y almacenados por la respectiva estación de medición (2 o 2*).

9. Sistema según al menos una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por al menos una interfaz (16, 18) asignada en particular a una estación central (1) para conectar al menos una fuente de datos e información climatológica o meteorológica adicional (Q) para caracterizar la situación meteorológica global que se puede valorar en particular mediante M[odel][utput] S[tatistics].

1. Procedimiento para detectar, transmitir y evaluar datos e información (D o D*) que se producen por radiación electromagnética, en particular de baja frecuencia, procediendo la radiación electromagnética de al menos una fuente de impulso de origen natural, en particular de al menos una descarga atmosférica (P), en el que

[i] se detectan señales (S o S*) que se pueden asignar a la radiación electromagnética mediante varias estaciones de medición (2 o 2*) separadas espacialmente, con en cada caso al menos un cuerpo de antena (3), por ejemplo de banda ancha, asignado a la respectiva estación de medición (2 o 2*),

[ii] se determina el respectivo desarrollo temporal, en particular el respectivo tiempo de llegada, de las señales (S o S*) detectadas mediante al menos un dispositivo de medición de tiempo (38) asignado a la respectiva estación de medición (2 o 2*), en particular mediante al menos un reloj GPS y

[III] se localiza la altura (H) de la fuente de impulso, en particular la altura de emisión, y la direccionalidad (C), en particular el desarrollo de dirección espacial, de la emisión de impulsos provocada por la fuente de impulso, al determinarse la desviación del tiempo de llegada de la señal (S) en la estación de medición (2) más próxima a la fuente de impulso con respecto al tiempo de llegada de la señal (S*) en al menos una, preferiblemente al menos dos estaciones de medición (2*) no más próximas a la misma fuente de impulso, caracterizado por que la direccionalidad (C) de la emisión de impulsos o del envío de impulsos

- se identifica como fundamentalmente vertical cuando la amplitud (A) de la señal (S o S*) se comporta de manera proporcionalmente recíproca con respecto a la distancia (R) de la fuente de impulso con respecto a la respectiva estación de medición (2 o 2*), y

- se identifica como fundamentalmente horizontal cuando la amplitud (A) de la señal (S o S*) se desvía con respecto a la proporcionalidad recíproca, y se puede corregir esta desviación teniendo en cuenta

-- el ángulo de altura y

-- el ángulo entre el eje de emisión de impulsos o el eje de envío de impulsos, en particular el eje de descarga, y la dirección hacia la respectiva estación de medición (2 o 2*).

11. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que se diferencian emisiones de impulsos o envíos

de impulsos, en particular descargas (P), dentro de una nube (W) o entre al menos dos nubes (W) con respecto a emisiones de impulsos o envíos de impulsos, en particular descargas (P), entre la nube (W) y la tierra (E).

12. Procedimiento según las reivindicaciones 1 u 11, caracterizado por que mediante al menos un sistema electrónico de estación (4)

- se analiza la radiación electromagnética que normalmente se produce en ondas individuales con respecto a sus propiedades espectrales mediante una F[ast]F[ourier]T[ransformation] (transformada rápida de Fourier),

- se detecta completamente el respectivo desarrollo temporal de las señales (S o S*) con formas de pulso variables,

- se detectan todas las señales (S o S*) sin tiempo muerto también con tasas elevadas de transmisión de señales y/o,

- se determinan, en particular basándose en al menos un algoritmo, parámetros específicos de señales para clasificar y asignar las señales (S o S*) con respecto a determinados procesos atmosféricos.

13. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones 1 a 12, caracterizado

- por que las señales (S o S*) que llegan a las estaciones de medición (2 o 2*) se dotan de al menos una marca de tiempo exacta, en particular señales (S o S*) de la misma fuente de impulso se proveen de manera uniforme con una marca de tiempo, y

- por que se determina con ayuda de la marca de tiempo la desviación del tiempo de llegada de la señal (S) en la estación de medición (2) más próxima a la fuente de impulso con respecto tiempo de llegada de la señal (S*) en las estaciones de medición (2*) no más próximas a la misma fuente de impulso.

14. Procedimiento según al menos una de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado por que de manera complementaria a la localización de la altura (H) de la fuente de impulso y de la direccionalidad (C) de la emisión de impulsos (= etapa de procedimiento [iii] en la reivindicación 1) se ajusta o calibra al menos una de las estaciones de medición (2 o 2*).

15. Procedimiento según la reivindicación 14, caracterizado por que

[iii.a] se localiza la posición, en particular el lugar y la altura, de la fuente de impulso, al determinarse, excluyendo la estación de medición (2 o 2*) a ajustar o a calibrar del respectivo desarrollo temporal determinado, en particular del respectivo tiempo de llegada determinado, la respectiva diferencia de tiempo de propagación de impulsos de la misma fuente de impulso con respecto a la respectiva estación de medición (2 o 2*),

[ivj se calcula el respectivo desarrollo temporal, en particular el respectivo tiempo de llegada, de las señales (S o S*) que proceden de la fuente de impulso localizada y detectadas en la estación de medición (2 o 2*) a ajustar o a calibrar,

[v] se determina y se prepara de forma estadísticamente relevante la diferencia entre el respectivo desarrollo temporal calculado, en particular el respetivo tiempo de llegada calculado, y el respectivo desarrollo temporal determinado, en particular el respectivo tiempo de llegada determinado, de las señales (S o S*) que proceden de la fuente de impulso localizada y detectadas en la estación de medición (2 o 2*) a ajustar o a calibrar y

[vi] si es necesario

[vi.a] se determina, debido a la respectiva diferencia determinada, al menos un término de corrección de tiempo, en particular para localizaciones o posicionamientos posteriores, así como

[vi.b] se ajusta o se calibra la estación de medición (2 o 2*) a ajustar o a calibrar mediante este término de corrección de tiempo determinado.

16. Uso de al menos un sistema (1) según al menos una de las reivindicaciones 1 a 9 o de un procedimiento según al menos una de las reivindicaciones 1 a 15

- para la localización

- de la altura (H) de la fuente de impulso, en particular de la altura de emisión, y

- de la direccionalidad (C), en particular del desarrollo de dirección espacial, de la emisión de impulsos o del envío de impulsos provocados por la fuente de impulso,

- para calibrar o para ajustar al menos una de las estaciones de medición (2 o 2*),

- para diferenciar emisiones de impulsos o envíos de impulsos, en particular descargas (P), dentro de una nube (W) o entre al menos dos nubes (W), con respecto a emisiones de impulsos o envíos de impulsos, en particular descargas (P), entre la nube (W) y la tierra (E),

- para crear mapas de densidad de rayos, o

- para la detección precisa de tiempo y/o estructura de los impulsos, también usando impulsos de rayo débiles y/o conformados de forma irregular.