用于实时监测地球表面风暴活动的方法和装置

摘要

一种包括记录ELF(超低频)电磁场信号的方法，ELF电磁场信号由电火花放电产生并在地球电离层谐振器中诱发，基于地球电离层腔中的ELF场谐振传播模型对ELF电磁场信号进行频谱分析，ELF电磁场信号的依赖于电火花放电的特征、距离和强度被分离并且然后与数据库模型参数比较。被选作最佳近似的模型数据能够重构电火花放电的位置和强度。一种能够重构电火花放电的位置和强度的装置具备两个感应磁天线。

说明书

技术领域

本发明的主题是一种用于实时监测地球表面风暴活动的方法和装置，其用于远程测量风暴中心活动以及确定它们的位置。风暴活动的监测与航空和海洋运输的安全相关，并且在天气预报中扮演重要角色。

背景技术

当前，有多种方法来记录发生在雷雨云中、云之间和/或云和地面之间的大气中的电火花放电。

第一种监测风暴活动的方法是基于光学卫星对闪电的观测，闪电发生在前述的雷雨云中、云之间和/或云和地面之间。该方法提供由安装在卫星上的测量仪器直接观测的范围内的详细信息。所观察的区域覆盖ca.10⁵km²，其只构成地球表面的一小部分。即使是具有卫星广阔扩展的网络的轨道观测系统也不能确保可靠的风暴活动全球监测系统。

追踪风暴的第二种方法与在大气中电火花放电期间产生的VLF、HF和VHF无线电频率内的电磁信号的探测有关。这种方法提供放电强度及其位置的评估。然而，其缺陷是在这些频率内的信号的范围，在HF内被限制到几百公里的距离，而在VLF内被限制到几千公里的距离。覆盖大范围以提供利用基站的观测需要密集的追踪基站网络。目前，最多开发的监测系统执行同时寄存在VLF和HF频率内的信号分析。这只在高度发达的国家中操作，因此其只覆盖地球表面一小部分。

第三种方法是基于只追踪VLF内的信号。单个基站的范围达到一千公里。当前，全球系统基于27个测量基站。

极低频(ELF)电磁场信号的传播从以“Studies of ELF propagation in the sphericalshell cavity using a field decomposition method based on asymmetry of Schumannresonance curves”为论文名发表在Journal of Geophysical Research，Vol.111，A 10304，doi：10.1029/2005JA011429，2006上的已公开的波兰克拉科夫的雅盖隆大学(JagiellonianUniversity)的科学家主导的研究成果得知。与该论文提出的论题相适应的，所观测的ELF谱中的曲线非对称和峰值谐振频率的变化由驻波场的叠加产生，这将与传出源头的波场一起产生谐振模型。所要解决的问题是是否能够分离谐振器中的两个场分量(component)并且单独地测量它们。关于这一问题的新的解决方式已经被提出并且其存在于频谱不对称性的测量或通过利用单个天线的电场或磁场分量的观测所获得的信号频谱。在这种方法中，假定谐振器的任意点中的信号频谱包括与谐振分量场相关的对称部分和与传播波场联系的非对称部分。场分量的功率谱α(θ，f)|²已经利用下述公式确定：

该公式实现了谐振器的任意点到单个前进波源的近似距离θ的确定。

上述大气放电的观测方法，即使假定观测基线相当大的扩展，也不能实现覆盖地球整个表面的风暴活动的全球监测。同样，上述方法没有一个能够保证大气中的电火花放电的100％的测量效率。目前估计上述方法的效力介于60％和80％之间，这取决于所采用的方法以及所使用的信号分析算法。

发明内容

本发明的目的是提供一种横跨整个地球表面的风暴活动的全球监测的方法和装置。

根据本发明的监测风暴活动的方法是基于风暴单元中的大气的电火花放电诱发的电磁信号的分析，这类似于上述方法。本发明的想法是记录地球电离层谐振器内诱发的极低频(ELF)电磁场信号，然后基于涉及地球电离层谐振器中的ELF场的谐振传播模型进行频谱分析。接着，取决于电火花放电位置和天线之间的距离，即源头距离，和强度的特征被分开然后与模型数据库中的参数作比较。最接近的基准参数组确定这些源的位置和强度。分析可以实时处理，并且其结果可以以风暴活动图的形式图解。

由于ELF场内的波谐振传播的特殊性质，单个装置能够记录来自地球大气中的电火花放电的信号，并且寄存信号能够实现直到10000km距离的风暴活动图的明确预备。位于不同大陆的几个装置的使用允许在全球范围以地理坐标的形式轮廓清晰成像风暴活动。

优选地，利用两个彼此垂直设置，位于表面上或密切位于地表之下，并且沿着NS和EW方向放置的水平磁天线将ELF电磁场信号记录在没有局部电场源的区域中。该信号，被放大、滤波和例如在180Hz的取样频率变成数字观测信号的处理之后，通过无线电发射到电子数据处理单元，在那里进行频谱分析。所产生的信号功率谱然后与谐振曲线相配，这允许参数化这些频谱。接着，这些参数与存储在模型数据库中的基准参数相比较，该模型数据库已经利用地球电离层谐振器或腔或波导中的ELF波传播模型的知识产生。利用程序以最小化观测参数相对于那些基准参数之间的偏差，相对于一组基准参数作出选择，这组基准参数的值是最好的近似。一组基准参数重现了发生了大气中的电火花放电的风暴源头的位置和强度。根据这组基准参数，能够预备源图。

为了执行每个功率谱S_x，S_y的参数化，推荐利用下述公式匹配谐振曲线：

$S\left(\omega \right)=b+\frac{a}{{\omega }^{\alpha }}+\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}\frac{p_k·[1+e_k·({\omega }_k-\omega )]}{{({\omega }_k-\omega )}^2+{\left({\Gamma }_k\right)}^2}$

其中：

S(ω)-匹配功率谱；

a-描述背景颜色噪声的参数；

b-描述背景宽带噪声的参数；

α-颜色噪声的频谱指数；

ω-比率(脉动)；

p_k-第k个谐振峰的最大功率值；

e_k-第k个谐振峰的非对称参数；

ω_k-第k个谐振峰的谐振比率，其等于2πf_k；

Γ_k-第k个谐振峰的半宽度。

本发明的另一个想法是实时监测地球表面的风暴活动的装置，该装置具有两个感应的、有源磁天线，该两个天线彼此沿着NS和EW方向垂直并放置在地表上或密切位于地表下，并且彼此通过屏蔽线连接到记录观测信号的块，利用两个相同的信号通道和放大器，滤波器，模数转换器和控制系统，其时针通过系统接收器与GPS时间同步，并且其中的数据电子处理单元是根据运用到ELF信号的频谱分析算法和取决于风暴放电源的距离和活动确定特征的算法编程。

优选地，记录观测信号的块连接到发射在模数转换器内处理的数据的发射天线，而计算单元连接到与连接到记录观测信号的块的发射天线通讯的接收天线。

附图说明

下面将通过例子并参考附图描述本发明，其中：

图1示出了产生ELF电磁波的风暴中心和地球；

图2示出了监测风暴活动的方法的流程图；

图3A示出了ELF电磁场的接收天线；

图3B和3C示出了实时监测地表上风暴活动的装置；以及

图4示出了三个选择的与第一三个连续传播极大值相关的谐振峰。

具体实施方式

附图中的实施例只是打算用于说明的目的并且不限制附加的权利要求所限定的本发明的范围。

图1-5示出了一种实时监测地球表面上风暴活动的装置，根据本发明的解决方法将作为用来远程测量风暴中心活动以及其在地球表面上的位置的风暴活动监测装置的例子呈现。装置的实现相同功能的部件和单元在所有的附图中以相同的编号标记或者仅以首数字不同的编号标记，其将分配给特殊的附图或数字。

图1示意性地示出了具有风暴中心101的地球100。风暴中心在空气腔104中，或者换句话说在地球电离层谐振器中，产生ELF电磁场信号，该信号是在地球电离层腔104内的所有方向传播的ELF电磁波102和103。在图1中，示出了单个大气电火花放电109，产生在电离层105和地面106之间产生的空气腔104中逆时针传播的第一电磁波102和顺时针传播的第二电磁波103。这些波环绕地球许多次，彼此干涉并且也到达以彼此相对垂直的有利位置布置的接收天线110、120。由于风暴中心101产生的波的干涉，特殊频率的波衰落并且以这种方式产生一系列谐振峰。

图2示意性地示出了实时监测地球表面上的风暴活动的方法的流程图。在步骤211，电火花放电产生的电磁场分量H_x，H_y产生信号，该信号由两个磁天线寄存。在步骤212，这些信号经历相同的频谱分析处理，结果产生功率谱S_x和S_y。由于地球电离层腔内的ELF信号传播的谐振特性，频谱遵循一系列与随后的传播极大值相关的谐振峰的形式。在步骤213，每个功率谱S_x和S_y与谐振曲线匹配，这将通过稍后详细描述的特殊公式描述。匹配程序的结果是频谱的参数化。每个频谱S_x和S_y被指派具有一组观测参数p_k、f_k、γ_k和e_k。在步骤214，每个信号的参数组与基准参数p_ok、f_ok、γ_ok和e_ok比较，基准参数p_ok、f_ok、γ_ok和e_ok存储在模型参数数据库B中。比较系统的任务是一组基准参数p_ok、f_ok、γ_ok和e_ok的选择，这组基准参数p_ok、f_ok、γ_ok和e_ok的值尽可能接近一组观测参数p_k、f_k、γ_k和e_k。为了这一目的，使用一种可用的最小化程序，用来最小化观测参数p_k、f_k、γ_k和e_k和基准参数p_ok、f_ok、γ_ok和e_ok之间的偏差。模型参数数据库B是，例如，在所观测的大气中的电火花放电的证实之后，在步骤215中利用地球电离层腔中ELF波传播模型知识制作的。由于对于观测者，即天线，和源头，即电火花放电，之间的每一个距离，以及对于每个放电强度都有特定的基准参数组，因此将观测参数组p_k、f_k、γ_k和e_k指派给基准参数组p_ok、f_ok、γ_ok和e_ok能够绘制源头的位置及其强度。在步骤216，准备源头图。所获得图的分辨能力严格地取决于信号分解的步骤213中获得的频谱观测参数组p_k、f_k、γ_k和e_k的数目以及伴随测量的局部噪声等级。观测参数组p_k、f_k、γ_k和e_k是取决于电火花放电的距离和强度的特征，其有助于重构电火花放电的位置和强度以及形成能够绘制风暴源头(M_(x，y))图的基础。图的不确定性严格取决于场分布基准组的形式，即它们是假定传播模型的衍生物(derivative)。

图3A中示意性示出的在空气腔中产生的ELF电磁场301具有分量H_x，H_y和Hz，其中H_x和H_y由两个理想地彼此垂直的并且放置在没有局部电场源的地球区域的接收水平定向天线A_x321和A_y322接收。通常，天线A_x321和A_y322是感应的、有源的磁天线，例如，其是1m长，具有1cm²的芯截面。优选地，天线A_x321和A_y322是屏蔽外来电场(即使有的话)的，并且放置在地表106之上或密切地位于其下，通常沿着NS和EW方向。由于ELF电磁场301，在这些定向接收天线A_x321和A_y322中产生信号U_x331和U_y332。

在信号U_x331和U_y332经历基于地球电离层波导或地球电离层腔，简言之，空气腔中的ELF场的谐振传播模型的频谱分析，以及距离和由其决定的源头强度的特征分离之前，定向磁接收天线A_x321和A_y322中产生的信号U_x331和U_y332被发射到在两个相同的处理路径记录观测信号的组块(block)，该两个相同的处理路径优选的是分开的，如图3B和3C所示，通过例如100m长度的屏蔽线发射到宽带低噪声放大器G_x341和G_y342的输入端，然后被放大，之后它们穿过例如通带1-60Hz的低通去阶梯效应滤波器BPF_x351和BPF_y352，接着被从模拟形式转换到数字形式，例如在与控制系统uP 365连接的16位模数转换器A/C_x361和A/C_y362中执行。信号的取样在具有例如180Hz频率的两个模数转换器A/C_x361和A/C_y362中同时执行。具有两个上述和下述组块的装置具有GPS接收器364，其用来使控制系统时钟与GPS时间同步。数字信号U_x331和U_y332然后被编码和引导到具有发射在模数转换器中处理的数据的天线T 367的低功率无线电发射系统366，或被编码和引导到波导线。另一种解决方法也是可能的，其中数字信号U_x331和U_y332可以被发射到控制系统以进一步分析，例如通过通讯线路发射到PC。然而，通过这种解决方法，引入噪声到测量路径的危险可能发生。在图3B所呈现的有利解决方法中，目前描述的所有装置块都远离电线放置并且都由自发电源供电，而到计算单元，例如上述的PC，的信号发射通过无线电或光发生。

在所呈现的例子中，数字信号U_x331和U_y332由远离天线几公里，例如3-10公里，并具有接收天线377的无线接收系统376接收，然后被编码和发送到计算单元375，例如由总线供电的PC。根据ELF信号频谱分析算法和与依赖电火花风暴放电源的距离和活动特征的确定相关的算法来编程作为电子处理系统的计算单元375。在计算单元375中，数字信号U_x331和U_y332经历相同的频谱分析处理以产生观测信号U_x231和U_y231的功率谱S_x和S_y并利用块DFT_x371和DFT_y372中的傅立叶变换使它们与谐振曲线匹配。由于地球电离层腔中的ELF观测信号传播的谐振特性，频谱是与表格1以及图4中的图表形式所呈现的连续传播极大值相联系的谐振峰系列或峰411、412和413的形式。

表格1

  Mod数k  Mod频率f  Mod功率p  Mod离心率e  Mod宽度Γ  1  2  3  4  …  f₁  f₂  f₃  f₄  ...  p₁  p₂  p₃  p₄  …  e₁  e₂  e₃  e₄  …  γ₁  γ₂  γ₃  γ₄  …  a  b  α

在接下来的阶段，在匹配块D_x381和D_y382中，下述公式表示的谐振曲线被与每个功率谱S_x和S_y相匹配：

$S\left(\omega \right)=b+\frac{a}{{\omega }^{\alpha }}+\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}\frac{p_k·[1+e_k·({\omega }_k-\omega )]}{{({\omega }_k-\omega )}^2+{\left({\Gamma }_k\right)}^2}$

其中：

S(ω)-匹配功率谱；

a-描述背景颜色噪声的参数；

b-描述背景宽带噪声的参数；

α-颜色噪声的频谱指数；

ω-比率(脉动)；

p_k-第k个谐振峰的最大功率值；

e_k-第k个谐振峰的非对称参数；

ω_k-第k个谐振峰的谐振比率，其等于2πf_k；

Γ_k-第k个谐振峰的半宽度。

上述公式是采用自发表在Journal of Geophysical Research，Vol.111，A10304，doi：10.1029/2005JA011429，2006上论文名为“Studies of ELF propagation in the sphericalshell cavity using a field decomposition method based on asymmetry of Schumannresonance curves”的文献，在利用描述背景颜色噪声的参数，描述背景宽带噪声的参数和颜色噪声的频谱指数完成其之后。增加描述背景颜色噪声的参数a，描述背景宽带噪声的参数b和颜色噪声的频谱指数α是更优选的，因为，如上所述，其改进了将曲线匹配到所观测背景的质量并增加了产生地图所需的频谱参数的确定的精度。需要重视的是参数a和b以及参数α是被确定的，但是不用于产生地图。

作为运用匹配程序的结果，频谱参数化随后发生在参数化块Param_x391和Param_y392中。对于每个频谱S_x和S_y，四个当前观测参数p_k、f_k、γ_k和e_k被用于每个第k个模式，用于实现其参数化。在接下来的阶段，每个信号U_x和U_y的这四个观测参数p_k、f_k、γ_k和e_k在比较器396中与基于地球电离层腔内的ELF波传播的知识产生的存储在模型参数数据库B 390中的基准参数组p_ok、f_ok、γ_ok和e_ok比较。比较器396的任务是选择值最接近观测参数组p_k、f_k、γ_k和e_k的一组基准参数p_ok、f_ok、γ_ok和e_ok。为了这一目的，采用程序中最小化参数p_k、f_k、γ_k和e_k与参数p_ok、f_ok、γ_ok和e_ok间的偏差的一个程序。模型参数数据库B 390凭借地球电离层腔内的ELF波的传播知识的实力根据长期观测而创建。由于对于观测者和源头之间的每个距离以及每个放电强度都具有特定的参数组，所以将观测参数组p_k、f_k、γ_k和e_k指派到基准参数组p_ok、f_ok、γ_ok和e_ok能够重构源头的位置及其强度。换句话说，比较观测参数组p_k、f_k、γ_k、e_k和基准参数组p_ok、f_ok、γ_ok、e_ok，基准参数组p_ok、f_ok、γ_ok、e_ok是模型参数数据库B的参数。基准参数组p_ok、f_ok、γ_ok、e_ok被选择来作为观测参数组p_k、f_k、γ_k、e_k的最佳近似之后，重构电火花放电或放电源和/或风暴中心的位置和强度。优选例子中的电子处理单元已经根据ELF信号频谱分析算法和借助于傅立叶变换确定取决于风暴放电的距离和活动的特征的算法编程，因为这在频谱分析的许多论文中都是已知的。

在接下来的阶段，源头图M_(x，y)被展现，或者换句话说，在产生块395中，地球表面上风暴中心的分布和强度的源头图M_(x，y)被展现。所获得的图的分辨率直接取决于在信号分解阶段获得的频谱分布参数的数目和在测量期间发生的噪声等级。图的不确定性(ambiguity)取决于场分布基准组的形式，即它们是假定传播模型的偏差。

已经被其他源头证实和/或通过其他监测地球表面上风暴活动的方法证实的观测参数组p_k、f_k、γ_k和e_k能够被加入模型数据库B 390，并且用这种方法构成增补到用于连续重构放电源或风暴中心的位置和强度的基准参数组p_ok、f_ok、γ_ok和e_ok。

在当使用显著地增加了地球表面图上风暴中心的位置和强度的分辨能力的许多接收装置的情况下，能够通过卫星或因特网链接将数据发送到数据收集中心，在此该数据经历计算单元中的分析。

利用选择的例子呈现了根据本发明的解决方法。然而，这些例子并不限定本发明。显而易见的是在不改变该解决方法的本质特点下能够引入改进。所呈现的例子不是根据本发明的解决方法的应用的唯一的可能性。