Dispositivo para la detección de descargas eléctricas en la atmósfera superior y método que hace uso del mismo.

Se describe un dispositivo y un método para la detección de descargas eléctricas en la atmósfera superior determinando las tormentas que originan este tipo de descargas a partir de las capturas de imágenes tanto estáticas como en movimiento que se realizan mediante cámaras fotográficas y cámaras de video y el posterior procesamiento de las mismas. Las cámaras se encuentran controladas de forma robotizada y para ello se hace uso de plataformas y bases móviles robotizadas.

Dispositivo para la detección de descargas eléctricas en la atmósfera superior y método que hace uso del mismo

OBJETO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se enmarca en el campo de la meteorología, más concretamente en aquellos aspectos relacionados con la detección de descargas eléctricas en la atmósfera superior o determinación de circunstancias que pueden dar lugar a estas descargas.

El objeto de la invención consiste en un dispositivo automatizado que mediante el uso de un dispositivo programable, como puede ser un ordenador, permite, ubicándose a nivel del suelo, detectar las zonas del cielo nocturno en la que puedan estar desarrollándose nubes capaces de producir tormentas asociadas a descargas eléctricas o fenómenos luminosos transitorios (TLE) en las capas altas de la atmósfera (estratosfera, mesosfera y termosfera) , poniendo entonces en marcha un sistema auxiliar para monitorizar automáticamente esas áreas del cielo y detectar dichas descargas. De esta forma se pueden obtener automáticamente varios parámetros físicos y químicos asociados a este tipo de fenómenos eléctricos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

La localización automática de tormentas capaces de generar descargas eléctricas en capas altas de la atmósfera (TLE) , poniendo en marcha en ese caso un dispositivo que se orienta hacia la dirección en la que se encuentra dicha tormenta y que es capaz de registrar y analizar estas desargas. Debe, por tanto, ser un sistema capaz de orientarse hacia todos los puntos del cielo nocturno. Para ello debe ser un sistema no estático, por lo cual está dotado de una plataforma móvil controlada por ordenador para poder barrer la bóveda celeste de forma sistemática. El uso de, al menos, dos de estos sistemas ubicados en puntos situados a una distancia de varias decenas de kilómetros permite triangular la posición de los TLE detectados de forma simultánea, determinando la zona sobre la que aparecen y la altura a la que se generan estos fenómenos atmosféricos.

A día de hoy, existen sistemas que pueden detectar TLE tanto desde el espacio (satélites, transbordadores espaciales) como desde globos sonda, si bien se trata de sistemas más complejos y costosos que el que recoje esta invención. En la actualidad también existen sistemas CCD de alta sensibilidad que se utilizan para monitorizar desde el suelo TLE, si bien se trata de sistemas estáticos que monitorizan porciones fijas del cielo nocturno de manera continua. La invención, por el contrario, rastrea las zonas que pueden ser de interés y, de manera totalmente autónoma, sólo se pone en funcionamiento el sistema de detección de TLE si se determina que estas descargas pueden estar teniendo lugar. Además, este sistema permite utilizar una CCD dotada de una óptica de campo estrecho con el fin de aumentar la resolución espacial sin correr el riesgo de perder datos.

El estado de la técnica queda reflejado, por ejemplo, en estos dos documentos:

1. E.A. Gerken, U.S. Inan, C.P. Barrington-Leigh, "Telescopic imaging of sprites" GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS, VOL. 27, NO. 17, PAGES 2637-2640, SEPTEMBER 1, 2000

2. E. R. Williams et al. "Ground-based detection of sprites and their parent lightning flashes over Africa during the 2006 AMMA campaign" QUARTERLY JOURNAL OF THE ROYAL METEOROLOGICAL SOCIETY

DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN

EL objeto de la invención propone una solución al problema anteriomente planteado de la localización automática de tormentas capaces de generar descargas eléctricas en capas altas de la atmósfera (TLE) , poniendo en marcha en ese caso un dispositivo que se orienta hacia la dirección en la que se encuentra dicha tormenta y que es capaz de registrar y analizar estas desargas siendo dicho dispositivo capaz de orientarse hacia todos los puntos del cielo nocturno dotado de una plataforma móvil controlada por ordenador para poder barrer la bóveda celeste de forma sistemática. El uso de, al menos, dos de estos sistemas ubicados en puntos situados a una distancia de varias decenas de kilómetros permite triangular la posición de los TLE detectados de forma simultánea, determinando la zona sobre la que aparecen y la altura a la que se generan estos fenómenos atmosféricos.

El dispositivo objeto de la invención utiliza un sistema controlado mediante unos medios de control, que pueden venir definidos por un dispositivo programable como puede ser un ordenador. Dicho dispositivo es capaz de detectar la presencia de nubes en el horizonte que puedan estar asociadas a descargas eléctricas en capas altas de la atmósfera terrestre.

Dicho dispositivo puede consistir en una cámara fotográfica con sensor CCD, o más si fuera necesario o de otro tipo dependiendo de la situación, de alta sensibilidad con lente de ojo de pez que permite visualizar todo el cielo nocturno. Se necesita utilizar una lente rápida, con el fin de aprovechar la alta sensibilidad que ofrece la cámara (lentes de relación focal del orden de f2.5 o inferior) . Con el fin de contar con una cámara de suficiente sensibilidad es preferible utilizar una cámara CCD con sensor en blanco y negro en lugar de usar su equivalente en color, aunque lo ideal es utilizar dispositivos cuya sensibilidad sea del orden de 0.001 lux o incluso del orden de 0.0001 lux. Esta cámara CCD se encuentra fija, apuntando siempre al mismo punto del cielo, típicamente al cénit del observador. El método aquí descrito comprende controlar esta cámara mediante los medios de control para que se tome una imagen en intervalos de tiempo predefinidos, entre 1 y 5 minutos, si bien a priori no existe ningún tipo de limitación respecto al valor que puede tomar esta variable. El tiempo de integración (tiempo durante el cual el obturador de la cámara se abre para captar luz) se fija típicamente entre 1 y 10 segundos. Una vez capturada la imagen se envía a los medios de proceso de imagen donde se procesa entonces la imagen y se analiza para determinar si existe alguna zona del cielo en la que puedan estar produciéndose sprites. Para ello se sigue el siguiente pocedimiento:

- Se determina qué porciones de la imagen contienen nubes (zonas brillantes en la imagen) y qué porciones corresponden, por el contrario, al fondo del cielo nocturno (zonas oscuras en la imagen) . El parámetro que determina a partir de qué valores de iluminación se considera que una zona es oscura (y, por tanto, corresponde al fondo de cielo) o por el contrario una zona es clara (y, por tanto, corresponde a una nube) , se fija mediante una calibración previa del equipo.

- A la hora de determinar zonas brillantes (nubes) se tienen en cuenta sólo aquellas regiones que poseen un tamaño mínimo en la imagen. De esta forma se evita incluir objetos brillantes distintos a las nubes tales como estrellas, satélites artificiales, aviones, etc.

- También se puede calcular la posición de la Luna en cada momento e ignora la región en la que ésta aparece en las imágenes.

Al utilizarse un objetivo de ojo de pez es probable que en el lugar en el que se ubique la cámara aparezca algún objeto, estructura, edificio, etc. en su campo de visión. Éstos pueden aparecer en las imágenes como regiones brillantes dependiendo de la iluminación que tengan. Dichos artificios se pueden ignorar automáticamente gracias a una imagen (denominada imagen máscara) que el operador introduce previamente en los medios de procesamiento y/o en los medios de control. Dicha máscara es una imagen real tomada por la cámara en la que se encuentran marcadas, por ejemplo el operador se encarga de marcarlas, mediante algún color predeterminado (por defecto se usa el color rojo) las regiones que deben ignorarse.

Una vez determinadas las zonas en las que aparecen nubes, se determina qué zonas nubosas se encuentran próximas al horizonte local; como los TLE aparecen sobre las nubes que generan tormentas, mediante los medios de control se posicionan las cámaras de detección de TLE de tal modo que apunten a dichas zonas del horizonte y que monitoricen las regiones del cielo comprendidas por encima de estas nubes. Si sólo se utilizase una cámara de detección de sprites, se decidirá en función de la información proporcionada previamente por el operador, dado que en función del lugar en el que se ubique la invención existirán zonas en las que estadísticamente la probabilidad de aparición de TLE sea superior, cuál de las zonas del horizonte nuboso debe ser monitorizada, ignorando el resto. Si el operador no ha introducido...

1. Dispositivo (1) para la detección de descargas eléctricas en la atmósfera superior caracterizado porque comprende un panel (8) plano sobre el que se encuentran ubicados:

a. unos medios de procesamiento encargados de procesar imágenes fijas y/o en movimiento,

b. al menos una cámara fotográfica (2) fija orientada al cénit con una lente (3) tipo ojo de pez acoplada que se encuentra conectada a los medios de procesamiento y a unos medios de control destinada a capturar imágenes estáticas,

c. una cámara de vídeo (4) montada sobre una montura altazimutal (5) robotizada que se encuentra conectada a los medios de procesamiento y a los medios de control destinada a capturar imágenes en movimiento, y

d. una cúpula (6) transparente en forma de casquete esférico encargada de cubrir al menos las cámaras (2, 4) , los medios de procesamiento y los medios de control permitiendo las capturas de imágenes.

2. Dispositivo (1) según reivindicación 1 caracterizado porque la cámara fotográfica (2) es de tipo CCD.

3. Dispositivo (1) según reivindicación 2 caracterizado porque la cámara fotográfica (2) es en blanco y negro.

4. Dispositivo (1) según reivindicación 1 caracterizado porque la cámara de vídeo (4) es de tipo CCD.

5. Dispositivo (1) según reivindicación 4 caracterizado porque la cámara de video (4) es en blanco y negro.

6. Dispositivo (1) según reivindicación 1 caracterizado porque el panel (8) comprende unas perforaciones (7) que se encuentran ubicadas en una zona cubierta por la cúpula (6) .

7. Método de determinación de tormentas que hace uso del dispositivo (1) descrito en una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 caracterizado porque comprende los siguientes pasos:

a. capturar al menos una imagen de la bóveda celeste mediante la cámara fotográfica (2) ,

b. enviar la imagen a los medios de procesamiento,

c. determinar mediante los medios de procesamiento unas zonas brillantes y unas zonas oscuras en la imagen

d. asignar a las zonas claras unas zonas nubosas, mediante una calibración previa del equipo.

e. determinar qué zonas nubosas se encuentran próximas al horizonte local ,

f. orientar la cámara de vídeo (4) hacia las zonas nubosas identificadas en el paso anterior operando la montura azimutal (5) ,

g. realizar capturas vídeo mediante la cámara de video cuando se detecte un objeto en movimiento en la zona en la cual se encuentra orientada la cámara,

h. enviar el vídeo grabado a los medios de procesamiento, y

i. grabar en los medios de almacenamiento un archivo de video que comprende la grabación realizada en el paso anterior.

8. Método según reivindicación 7 caracterizado porque la toma de imágenes con la cámara fotográfica (2) se realiza en intervalos de tiempo predefinidos.

9. Método según reivindicación 7 caracterizado porque adicionalmente comprende realizar un procesado del vídeo en los medios de procesamiento consistente en determinar si el objeto en movimiento detectado corresponde a una descarga eléctrica que tiene:

a. una intensidad lumínica brillante,

b. una duración comprendida entre 1 y 10 fotogramas de vídeo, y

c. una forma similar a una raíz de planta.