專利名稱：氣象電磁測量系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及氣象電磁測量系統，它收集天電信號并進行分析。
天電信號是形式為非規則形狀射線脈沖的電磁信號，它以動態的過程出現在大氣層中例如雷電或暴風雨鋒前區域或對流的云團中。
從大量的觀測得知，天電信號的各個參量，如振蕩的數量、振幅和頻率，以及脈沖串頻率，在頻率值上的頻率分布和信號形狀與引起信號的天氣過程，尤其是與大氣層的空氣物質種類和運動有緊密的關聯。
至今所知的用以收集和分析天電信號的電磁測量系統是單個接收機或傳感器，由于系統的制約，用它們只能實現關于一般天氣狀況的粗略判斷，因為在接收天電信號時最多只能判斷源位置的方向，而不能判斷源位置的信號強度以及沿著天電信號的傳播路徑上由大氣的不同物理狀態產生的變化。
本發明的目的在于給出一種氣象電磁測量系統，用它能收集一般天氣狀況作為精確天氣預報的基礎。
上述任務通過具有本發明在權利要求1中所述特征的氣象電磁測量系統而完成。本發明的電磁測量系統包含多個測量站，它們在空間上分開設置在一個規定的區域內。每一個測量站包含至少一個用于收集天電信號的天電接收機和一個用于將測量站中由天電信號推出的測量數據傳送到測量站所對應的中央評估單元的傳輸裝置，其中各個相鄰測量站的中間距離小于50公里，以全面收集短作用距離的天電信號。
本發明基于以下的考慮短期預報(當前天氣播報)相關的氣象事件通常導致僅具有小作用距離的天電信號。這些天電信號具有數百微秒的脈沖持續期并且由一個或多個振蕩組成，它們的振蕩頻率處于約3kHz和100kHz之間的范圍中，即甚低頻(VLF)頻段中。天電信號的脈沖串頻率可以達數百赫茲。天電信號的最大振幅決定于信號源的種類和遠近并且電場矢量達每米數伏。典型的放電電流強度小于1kA，因而有效作用距離最大約為50公里。可以僅僅測量附近距離范圍內主要與短期預報相關的天電源，距離對應于波長的數量級，由于物理的原因它不能被測向。天電信號明顯不同于雷電產生的電磁信號，因為雷電放電電流高兩個數量級，因而有更遠的作用距離并且例如存在測向的可能性。通過本發明設置的一個網孔相當精細的測量網就也可以全面收集具有短作用距離的天電信號并且用于可靠的且時間和地點上均有高分辨率的天氣預報。
此外，本發明的基本考慮在于，大量在空間上分開設置在規定區域內的測量站構成的測量站網使得分析大氣中天電信號沿著其傳播路徑的變化情況成為可能，從而可得出關于一般天氣狀況的更佳的判斷。尤其是通過對天電信號進行精細網絡和連續的測量不僅收集了實時天氣現象，而且也收集了其產生原因，例如空氣運動和放電過程，這樣就使得以高準確度尤其為短期預報(典型為15分鐘至2小時)提供將來的天氣趨勢成為可能。本發明的基本思路在于構成一個氣象電磁測量系統，其發射機是隨機出現的大氣中自然事件，而其接收機由測量站網構成。
本發明還基于以下考慮沿著其傳播路徑在大氣中傳播的天電信號受到當地熱力學和電學狀況的影響，以此方式可以得到對實時天氣狀況的補充判斷并由此給出用于預報的結論。
由本發明的測量系統提供的數據給出對微弱的大氣甚低頻(VLF)發射的全面描繪。這些數據不僅可作為可靠的短期天氣預報的基礎，而且也可作為VLF脈沖對人類器官的生理作用的流行病研究的基礎。
相鄰測量站的中間距離，即測量網絡的網格寬度在10公里和50公里之間為宜，最好約30公里。這樣可以以約10公里的分辨率全面收集天電活動數據。
在優化的本發明方案中每個測量站有一個根據接收到的天電信號推導出測量數據的處理單元。處理單元可以由簡單的濾波器和/或模擬信號處理電路組成，在其中信號以模擬形式被處理，因而測量數據也是模擬形式。
特殊的處理單元包含一個數字信號處理器，在其前面連接一個模-數變換器。在此情況下可進行數字信號分析，例如一個附加的數字濾波，特別是一個頻譜分析或相繼天電信號的時序分析。信號處理器通過這些分析而推導出的測量數據然后作為數字的數據字傳輸到中央評估單元。
數字信號分析最好借助于一個合適的，特別是存放在EPROM中并由中央評估單元遙控管理的軟件實現。在本發明的優化方案中在數字信號處理器中進行天電信號的評估分析，在分析中它們按照規定的評估準則分別對應于一個活動性等級。利用這種智能化測量站，傳輸測量數據的容量可明顯減小并且簡化后續的數據處理，例如處理是將由所有測量站實時傳輸到中央評估單元的天氣狀況數據圖與已存儲的以前天氣狀況數據圖進行快速模板比較，以從這個比較推導出天氣預報。
尤其是在數字信號處理器中完成天電信號從工程干擾信號的分離。
好的方式是在具有至少一個磁性VLF天線的天電接收機后面接一個具有模擬濾波器的信號處理電路。采用這個措施，不是由大氣原因導至的干擾信號，即所謂的工程信號，可以在數字信號分析之前至少被部分地消除，因為僅僅在天電信號相關頻段內的電磁信號被送入進行后面處理和分析，這樣就壓縮了被分析數據的數據數量。
在中央評估單元最好存在通過評估大量相鄰測量站的測量數據來確定天電源位置的裝置，例如借助于群代數算法(Clusteralgorithmen)。這可實現在鄰近區域精確定位，因為在諸如雷電定位中使用的測向和傳播時間方法中在鄰近區域不可避免地出現的誤差被避免了。
在本發明特別優良的方案中存在一個中央測向發射機，用以確定至少部分天電接收機的調準。
在優良的實施形式中天電接收機具有兩個水平的且相互正交定向的磁性VLF天線。這樣可以接收從任意方向來的垂直極化天電信號。此外長行程的垂直極化天電信號或者具有垂直極化分量的天電信號，即電場矢量垂直于地面而磁場矢量平行于地面的天電信號或天電信號分量通過比較在相互正交的水平磁性天線中接收到的信號來分析它的傳播方向。
在進一步優化的實施形式中至少部分測量站的接收機包含一個垂直定向的磁性VLF天線。這樣也能收集直接發生在此天電接收機上方的天電事件。
在進一步優化的實施形式中至少部分測量站的接收機包含一個偶極子天線，用以測量電場的一個分量，尤其是垂直分量。從這樣一個場分量的測量可導出更多的信息。尤其是電場強度和磁場強度間的關系，例如它們相互間與距離有關的相移可以被分析。
特別是至少部分測量站中有一個具有接收長波廣播信號的廣播天線的寬帶VLF接收機。這樣除了大氣發射機外廣播發射機也能參與對大氣狀態的分析。以這些配置有寬帶廣播天線的測量站接收到的廣播信號可在中央評估單元中相互比較。由此比較可得到關于沿著廣播信號傳播路徑上大氣條件的推論。
在進一步優化的實施形式中測量站至少包含另一個測量值記錄儀用以收集另一個本地測量變量。這樣的本地測量變量可以例如是氣壓，溫度，傳導率，濕度，太陽照射或發生降雨。
在優良的結構中至少部分測量站包含一個用以收集其實時空間位置的測量系統。該測量系統可以是例如一個全球定位(GPS)測量系統。這樣就可以考慮使用地理位置不嚴格確定的測量站，例如海上測量站或氣象氣球中的測量站。
在本發明的優良結構中傳輸裝置是事件控制的，也就是說，僅當測量站接收到一個事件，即一個天電信號時才進行傳輸。這樣傳輸給評估單元的測量數據量及在處理單元中所需的計算開銷可縮減。
優良的傳輸裝置是時間上可控激活的，這樣可以獲得全部測量站所收集的空間區域中大氣過程的時間上無間隙的描繪圖。
部分測量站可附加配備一個甚高頻(VHF)/超高頻(UHF)接收機用以測量高頻(HF)范圍內的大氣作用。
在本發明特別優良的結構中至少部分測量站具有一個同類天電接收機陣列，這些接收機以規定的相互間距離，最好在1和20米間被設置。通過此措施可以簡單地分開短作用距離的工程干擾信號和長作用距離的真實的天電信號，僅僅在所有天電接收機中一致出現的信號才被送去進行后續處理。
下面借助附圖所示實施例進一步說明本發明。附圖中
圖1簡要示出本發明的一個電磁測量系統，它具有多個分散在一個空間區域中的測量站。
圖2示出一個測量站的優化結構，該測量站滿足在本發明電磁測量系統中使用的要求。
圖1在一個空間區域中設置了多個測量站2，4。在圖示例子中測量站2，4構成一個正交的格狀網。然而測量站2，4不一定必須配置在一個這樣的正交格狀網中。在所示正交格狀網中對應于格狀網的網格寬度的測量站2，4相互間的中間距離a小于50公里，在10公里與50公里之間為宜，最好約30公里，這樣保證能由至少一些相鄰的測量站2，4收集到短作用距離的天電信號。
每個測量站2，4具有一個傳輸裝置5，它將測量站2，4給出的，由天電信號或由必要時記錄的其它測量變量推導出的測量數據傳輸到中央評估單元6。
固定位置的測向發射機8，例如Mainfingen的時標發射機DCF77，用來監視測量站2，4中的接收天線的調準。
用方塊符號表示的測量站2與用圓圈符號表示的測量站4的區別在于，測量站2配置有一個天電接收機10a，它包含一個垂直安放的和兩個相互正交且水平安放的磁性天線110及112，114，例如鐵氧體天線或空氣線圈天線。測量站4則配有一個天電接收機10b，它僅包含兩個水平磁性VLF天線112，114并且用它不能測量垂直磁場分量。由測量站2組成的局部網不像由測量站4形成的局部網那樣有緊密的網格，因為由天電接收機10a附加接收的垂直磁場分量一般僅屬于那些天電事件，它們直接發生在相應測量站2的上空大氣中，并且因此而已經被相鄰的測量站的水平磁性VLF天線112，114所收集。
部分測量站2及4的天電接收機10a，10b還可配有一個垂直偶極子天線116，用于附加測量磁場的水平分量和電場的垂直分量。
每個測量站2，4配有一個處理單元11，在其中接收到的天電信號被處理為模擬或數字數據，然后它通過傳輸裝置5，例如一個電話調制解調器或一個無線發射機，被傳送到中央評估單元6。該處理單元11在簡單情況下可以僅由一個模擬運算器，例如一個濾波器組成。
至少部分測量站2，4具有由同類天電接收機10a及10b構成的直線形或矩陣形陣列來代替單個的天電接收機10a或10b，陣列中的天電接收機相互間距離約1至20米被設置。采用此措施可以簡單地區分工程上產生的具有數米作用距離的VLF脈沖和具有數千米作用距離的真正的天電信號。
變型結構的處理單元11可以對在一個數字信號處理器中數字化的天電信號在其傳送給中央評估單元6之前作進一步的數字處理。
圖中用斷面線表示一個大氣事件E，例如產生的冷空氣前沿。在此冷空氣前沿發生有特征的放電過程，這是出現有特征的天電信號的原因。經驗表明，這種冷空氣前沿的出現首先導致相對長的波長的垂直極化天電信號。這樣借助于測量站2，4可以查明產生垂直極化天電信號的事件的位置x，其中原則上在兩個測量站2，4接收天電信號就足夠了。從測量站2，4接收到的，有關發生位置和現象描繪圖的被分析的天電信號使得預報在位置x處發現冷空氣前沿成為可能。在事件E，例中為冷空氣前沿，附近的測量站2用其垂直的VLF天線110還附加接收弱的水平極化天電信號，其信號分布，信號頻率和信號持續期使得推斷是否冷空氣前沿出現或正向前推進成為可能。通過大量測量站2，4的全面分布可以得到關于天氣狀況的大量信息，這些信息可用作可靠的短期天氣預報的基礎。這樣，利用本發明的裝置可以進行精確預報，在半個小時至幾個小時的時段內可精確預報在地點y出現冷空氣前沿。
然而通過測向確定天電信號的位置僅對長作用距離的天電信號是可能的。因此，短作用距離的天電信號的源位置確定是在中央評估單元6中通過借助于群代數算法評估相鄰測量站2，4接收到的脈沖率和功率密度數據實現的。
圖2中測量站2具有至少一個配備有3付磁性VLF天線110，112，114的天電接收機10a以及一個附加的寬帶VLF接收機12，它具有一個水平的廣播天線120。此外，由圖可見天電接收機10a還配備有一付偶極子天線116。
天電接收機10a配備有一個信號處理電路14，例如它具有模擬濾波器，用于從工程干擾信號(工程信號)中分離出天電信號。在變型的優化結構中測量站2以陣列形式配備有多個天電接收機10a，像用點表示的那樣。通過此措施可以特別簡單和可靠地從工程干擾信號中分離出天電信號。
VLF接收機12后接一個可控濾波器16，用它可將接收機調整到任何發射機上。此外VLF接收機12的廣播天線可通過信號處理器22被中央評估單元6遙控。
在測量站中還有一系列其它測量值記錄儀18，用它們來收集其它的本地測量變量，如溫度，氣壓，相對濕度，大氣的電傳導率。
信號處理電路14，可控濾波器16以及測量值記錄儀18的輸出連接到一個復用器20，它們的尋址輸入由信號處理器22控制，這樣在復用器20的輸出端每次僅出現當時尋址輸入對應的信號。在復用器20的輸出端出現的測量信號經過一個模數變換器24送到信號處理器22中。
此外，天電接收機10a還配有一個發射機26，它發送由信號處理器22控制的規定的發送信號用于天電接收機10a自測。
在信號處理器22中對先后進入的測量數據，特別是天電信號進行分析。此分析可如此進行利用可信度控制方法(Plausibilitaetsko ntrollen)將“非真實”的天電信號與“真實”的天電信號分離。例如在測量站具有多個天電接收機的情況下這可通過下述方法實現僅僅所有天電接收機同時接收到的信號才進行后續處理。
在數字信號處理器22中還產生一個由天電信號導出的解釋信號，它可作為具有解釋天電信號的信息內容的數據字，例如具有信息內容“冷空氣前沿位于位置x”或“冷空氣前沿在測量站位置上形成”通過傳輸裝置5傳送到中央評估單元6。
用于數字信號處理的算法在信號處理器20中存儲在EPROM中并可通過傳輸裝置5中的調制解調器自由激活。這些算法例如在僅具有一個天電接收機的測量站中包括用以用數字技術分開天電信號和工程干擾信號的算法(鑒別器)，這些干擾信號可以是信號處理電路14的模擬濾波器沒有濾去的。
數字信號處理器22中存有用以分析天電信號的算法(分析器)。這個分析可如此進行例如對諸如1分鐘的測量間隔這樣的固定的測量時間間隔中所有天電接收機相同的接收信號以規定的頻譜范圍，例如范圍1至10kHz，10至20kHz，20至30kHz，30至50kHz，50至100kHz，100至200kHz，200至500kHz進行頻譜分析。此外，在頻譜范圍中的功率譜密度在相應的時間間隔上積分并且確定在此時間間隔中的脈沖數。固定數量的(例如15個)這樣的測量間隔被綜合為每個傳輸間隔，在此過程之后，得到的數據被傳送到中央評估單元6進行進一步處理和保存。
在信號處理器22中接收的天電信號還可被進一步處理和分析可將信號歸到活動性分級圖表中并且在傳輸間隔過程進行之后僅需再傳輸活動性等級。在測量間隔中的測量值的綜合按照已有典型模板來確定活動性等級。
通過上述措施被傳輸數據的數量顯著減小。
實施例中還存在一個UHF/VHF接收機28，用它可接收高頻范圍中普通電視發射機的電視傳輸信號。這使得借助于高頻范圍中的電磁信號補充分析和解釋天氣狀況成為可能。
此外在實施例所詳細說明的測量站中有一個收集實時空間位置的測量系統30，例如一個全球定位系統(GPS)接收系統，用它可確定測量站的實時位置。這在諸如非固定的測量站情況下是有益的。
符號表
權利要求
1.氣象電磁測量系統，它具有多個測量站(2，4)，它們在空間上分布于一個規定區域內，并且每個測量站具有至少一個用于接收天電信號的天電接收機(10a，10b)和一個用于將每個測量站(2，4)中由天電信號導出的測量數據傳輸到測量站(2，4)對應的中央評估單元(6)的傳輸裝置(5)，其中相鄰測量站(2，4)的中間距離(a)小于50公里，以全面收集短作用距離的天電信號。
2.如權利要求1所述的電磁測量系統，其特征在于，中間距離(a)小于30公里。
3.如權利要求1或2所述的電磁測量系統，其特征在于，測量站(2，4)中具有一個用于由接收到的天電信號推導出測量數據的處理單元(11)。
4.如權利要求3所述的電磁測量系統，其特征在于，處理單元(11)具有一個數字信號處理器(22)，用以處理接收到的天電信號，在它前面接有一個模/數變換器(24)。
5.如權利要求4所述的電磁測量系統，其特征在于，具有用以對天電信號進行頻譜分析的數字信號處理器(22)。
6.如權利要求4或5所述的電磁測量系統，其特征在于，具有用以對相繼的天電信號進行時序分析的信號處理器(22)。
7.如權利要求4至6中任一項所述的電磁測量系統，其特征在于，具有借助于規定的判斷準則評判已分析的天電信號的信號處理器(22)。
8.如權利要求4至7中任一項所述的電磁測量系統，其特征在于，在信號處理器(22)中分析天電信號所需要的軟件是由中央評估單元(6)遠距離管理的。
9.如權利要求1至8中任一項所述的電磁測量系統，其特征在于，具有分離天電信號和工程干擾信號的數字信號處理器(22)。
10.如以上所有權利要求中任一項所述的電磁測量系統，其特征在于，具有至少一個磁性甚低頻天線(110，112，114)的天電接收機(10a，10b)后接一個具有一個模擬濾波器的信號處理電路(14)。
11.如以上所有權利要求中任一項所述的電磁測量系統，其特征在于，中央評估單元(6)包含通過評估至少鄰近的測量站(2，4)的測量數據來確定天電源的位置的裝置。
12.如以上所有權利要求中任一項所述的電磁測量系統，其特征在于，具有一個用以確定天電接收機(10a，10b)調準的中心測向發射機(8)。
13.如以上所有權利要求中任一項所述的電磁測量系統，其特征在于，天電接收機(10a，10b)具有兩個水平的且相互正交的磁性甚低頻天線(112，114)。
14.如權利要求13所述的電磁測量系統，其特征在于，至少部分測量站(2)中的天電接收機(10a)具有一個垂直定向的磁性甚低頻天線(110)。
15.如權利要求13或14所述的電磁測量系統，其特征在于，至少部分測量站(2，4)中的天電接收機(10a，10b)具有一個偶極子天線(116)，用以測量電場的一個分量。
16.如權利要求15所述的電磁測量系統，其特征在于，具有一個用于測量電場的垂直分量的偶極子天線(116)。
17.如以上所有權利要求中任一項所述的電磁測量系統，其特征在于，至少部分測量站(2，4)中具有一個寬帶的甚低頻接收機(12)，它具有一個廣播天線(120)并用以接收長波廣播信號。
18.如權利要求17所述的電磁測量系統，其特征在于，存在一個中心的測向發射機(8)，用于監視廣播天線(120)的調準。
19.如以上所有權利要求中任一項所述的電磁測量系統，其特征在于，測量站(2，4)至少包含一個另外的測量值記錄儀(18)，用于收集其它的本地測量變量。
20.如以上所有權利要求中任一項所述的電磁測量系統，其特征在于，測量站(2，4)包含一個用于測試天電接收機(10a，10b)的自測裝置(26)。
21.如以上所有權利要求中任一項所述的電磁測量系統，其特征在于，至少部分測量站(2，4)包含一個用于收集其實時空間位置的測量系統(30)。
22.如以上所有權利要求中任一項所述的電磁測量系統，其特征在于，傳輸裝置(5)是事件可激活的。
23.如以上權利要求中任一項所述的電磁測量系統，其特征在于，傳輸裝置(5)是時間控制可激活的。
24.如以上權利要求中任一項所述的電磁測量系統，其特征在于，至少部分測量站(2，4)具有一個超高頻/甚高頻接收機(28)。
25.如以上權利要求中任一項所述的電磁測量系統，其特征在于，至少部分測量站(2，4)具有同類天電接收機(10a，10b)的陣列，這些接收機以規定的相互距離排列。
26.如權利要求25所述的電磁測量系統，其特征在于，測量站(2，4)中天電接收機(10a，10b)的距離在1至20米之間。
全文摘要
本發明涉及一種氣象電磁測量系統,它具有多個測量站(2,4),它們在空間上分布于一個規定區域內。每個測量站(2,4)具有至少一個用于接收天電信號的天電接收機(10a,10b)和一個用于將測量站(2,4)中由天電信號導出的測量數據傳輸到測量站(2,4)對應的中央評估單元(6)的傳輸裝置(5),其中相鄰測量站(2,4)的中間距離(a)小于50公里,以全面收集短作用距離的天電信號。
文檔編號G01S13/95GK1266498SQ98806250
公開日2000年9月13日 申請日期1998年6月12日 優先權日1997年6月15日
發明者邁克爾·J·帕布斯特, 邁克爾·蓋斯勒, 格萊戈·布格拉 申請人:斯菲里克斯測量和分析技術有限公司