Rozdíly

Zde můžete vidět rozdíly mezi vybranou verzí a aktuální verzí dané stránky.

--- cs:sm [2017/02/13 22:41] – [Monitorování blesků a bouřek] kaklik
+++ cs:sm [2017/06/02 09:59] – [Konstrukční realizace stanice] kaklik
@@ Řádek 1: / Řádek 1: @@
 ====== Monitorování blesků a bouřek ======
-Detekce bleskové činnosti v bouřkové oblačnosti může být mimo jiné prováděna radiovými čidly.
+Detekce bleskové činnosti v bouřkové oblačnosti může být mimo jiné prováděna příjmem rádiového signálu. Tyto měřící systémy využívají buď různé implementované [[https://en.wikipedia.org/wiki/Direction_finding|metody směrového zaměřování]], nebo časového měření a [[https://en.wikipedia.org/wiki/Multilateration|multilaterace]].
-===== Radio Storm Monitoring Station =====
+[[https://is.cuni.cz/webapps/zzp/detail/76578?lang=en|Nové implementace]] obou těchto lokalizačních přístupů jsou závislé na přesné znalosti časového okamžiku vzorkování signálu a to v případě použití interferometrických zaměřovacích metod až na rozlišení fáze příchozího signálu.
+Bohužel aktuálně zřejmě neexistuje komerčně dostupné SDR, schopné absolutního časového značkování vzorků signálu, kromě extrémně nákladných [[https://www.ettus.com/content/files/kb/mimo_and_sync_with_usrp_updated.pdf|USRP od Ettus research]]. Který znemožňuje realizaci sítě s více detektory.
-Systém pro měření parametrů atmosférických výbojů.
-Detekce blesků výpočet polohy blesku a jeho polarizace. Lze založit na zpracování signálu z přijímače (lze využívat i referenční signál ze všesměrové antény; Podobně, jako u radiokompasu).
 ===== Měření parametrů atmosférických výbojů =====
-Ve stavebnici MLAB jsou aktuálně dvě možnosti realizace měřícího systému. Jeden přístup je realizace [[http://www.blitzortung.org/Documents/TOA_Blitzortung_RED.pdf|dedikované konstrukce]] založené na STM ARM32 mikrokontroleru.
+Rádiové přijímací systémy se konstrukčně liší podle RF pásma ve kterém bude detekce provozována. Nejběžnější je následující rozdělení.
-Druhý přístup je použití konstrukce [[cs:sdr-widget]] v kombinaci s [[cs:arm|ARM počítačem]].
-Použití mikrokontroleru je mírně levnější a má nižší spotřebu.  Kombinace SDR-widget s ARM počítačem je dražší řešení, které má větší možnosti a stejné zařízení může být využito i pro jiné aplikace, jako jsou například [[cs:designs:dms|SID monitory]].
+==== LF přijímací stanice ====
-==== Měření ionizujícího záření ====
+Tento typ detektorů využívá nejčastěji ortogonálně orientované magnetické smyčkové antény, které slouží pro směrové zaměřování založené na měření amplitudy příchozích signálů obvykle v kombinaci některou dálkoměrnou metodou, jako např [[https://en.wikipedia.org/wiki/Time_of_arrival|TOA]]
-Při použití několika bezpilotních letadel, které by kroužily v okolí jádra bouřky a zaznamenávaly by bleskovou aktivitu. By bylo  možné podobně měřit metodou TDOA případné ionizující záření vyzařované z blesků a korelovat jej s elektrickými parametry blesku.
+Technicky jsou aktuálně dvě možnosti realizace LF měřícího systému. Jeden přístup je  [[http://www.blitzortung.org/Documents/TOA_Blitzortung_RED.pdf|dedikovaná konstrukce]] založená na [[cs:arm_programming|ARM mikrokontroleru]].
+Druhý univerzálnější přístup je použití konstrukce [[cs:sdr-widget]] v kombinaci s některým [[cs:arm|ARM počítačem]].
-====== SM01A ======
+Použití mikrokontroleru je mírně levnější a má nižší spotřebu.  Kombinace SDR-widget s ARM počítačem je dražší řešení, které má větší možnosti a stejné zařízení může být využito i pro jiné aplikace, jako jsou například [[cs:designs:dms|SID monitory]] sítě [[http://www.ionozor.cz|Ionozor]].
-Detektor bouřek s obvodem [[http://ams.com/eng/Products/Lightning-Sensor/Franklin-Lightning-Sensor/AS3935|AS3935]]
+==== VHF přijímací stanice ====
+Detekční metody bleskových výbojů pracující na vyšších frekvencích využívají prakticky výhradně TOA měření na jednotlivých pulzech ve shluku výbojů generovaných bleskem, případně interferenční metody zpracování. Příkladem takového detekčního systému je [[http://ibis.nmt.edu/nmt_lms/descrip.html|New Mexico Tech Lightning Mapping Array (LMA)]]. Tento systém má šířku pásma digitalizovaného signálu přibližně 6 MHz a v případě optimální geometrické konfigurace rozlišení asi 30m.
+ {{:cs:designs:rsms:error50.gif?600|}}
+Stanice mají jednokanálové přijímače s GP anténami a GPS časovou referenci s absolutní přesností okolo 50ns. Vývoj toho systému zřejmě nijak intenzivně dále nepokračuje.  Modernější výzkum v této oblasti probíhá na systému [[https://www.epj-conferences.org/articles/epjconf/pdf/2017/04/epjconf_arena2017_03003.pdf| LOFAR]].
+===== Radio Storm Monitoring Station - RSMS01A =====
+Pro konstrukci měřící stanice na blesky jsou klíčovými parametry šířka pásma digitalizovaného signálu, dynamický rozsah přijímače a přesnost časového značkování vzorků signálu.
+^Parametr ^ Hodnota^
+|Šířka pásma zpracovávaného signálu| >6 MHz|
+|Pracovní RF frekvence přijímače| 100-300 MHz nebo více|
+|Dynamický rozsah přijímače| >100dB |
+|Časová přesnost vzorkování| lepší než 50 ns|
+|Příkon| max 12W|
+Šířka pásma přijímače přímo úměrně ovlivňuje přesnost měření. Pracovní frekvence přijímače může být v podstatě kdekoli ve VHF pásmu. Vyšší frekvence jsou výhodnější pro vyšší prostorová rozlišení, neboť bleskový výboj je extrémně širokopásmový signál. Zároveň však s vyššími frekvencemi klesá vyzařovaný výkon. Pro první verze stanice proto zřejmě není účelné se pokoušet o detekce nad cca 200 MHz, neboť se zkracuje použitelná detekční vzdálenost a pravděpodobně i komplikuje struktura signálu.
+Velký dynamický rozsah přijímače je kvůli podrobnému zpracování detailů signálu. Pro přesnější výpočty je potřebné, aby signál byl pokud možno nezkreslený a to zejména tak, aby nebyl na žádné stanici, která detekuje výboj saturovaný.
+Časová přesnost určení vztažného bodu signálové události je nutná k rekonstrukci geometrického tvaru bleskového výboje zpracováním zpoždění šíření signálu k jednotlivým stanicím. Je proto možné přesnost posuzovat zejména ve vlastním čase systému, není zřejmě potřebné, aby přesnost k absolutnímu času podstatně lepší než např. 60 ns ale systémový čas by měl být co nejpřesnější, ideálně na jednotky nanosekund
+Korekce mezi systémovým a absolutním časem je možné zavést až dodatečně na zaznamenaný signál.
+Příkon detekční stanice je limitován takovým výkonem, aby zařízení bylo možné jednak ekonomicky akceptovatelně provozovat ve stacionárních konfiguracích napájených fotovoltaickými články a také v mobilních konfiguracích při terénním měření.
+==== Konstrukční realizace stanice ====
+Technická realizace přijímací stanice má několik dílčích komplikací, které je nutné systémově řešit.
+{{:cs:designs:rsms:rsms_receiver.png?600| Blokové schéma přijímače radiového monitoru atmosférických jevů}}
+{{ :cs:designs:rsms:signal_processig.png?600 |Způsob zpracování signálů}}
+=== Vstupní RF obvody ===
+Signál přijímaný anténou (Pro první experimenty by zřejmě byla vhodná [[http://www.ainfoinc.com/en/pro_pdf/new_products/antenna/Log%20Periodic%20Antenna/tr_DS-SJ-10100.pdf|crossed log-periodic antenna]]) Musí být zesílen nízko šumovým zesilovačem s vysokou vstupní odolnosti, aby bylo možné se vypořádat s vysokým dynamickým rozsahem vstupních signálů.
+Dále filtrován, aby byla omezen aliasing se signály s jiných pásem na dalších obvodech přijímače.
+=== Digitalizace ===
+Vyfiltrovaný signál bude zřejmě potřeba zesílit zesilovačem s variabilním ziskem, aby bylo možné digitalizovat signál s velkým dynamickým rozsahem. Pak je možné provést klasické směšování a nebo signál přímo digitalizovat některým [[cs:adcdual|rychlým ADC]] a využít [[https://en.wikipedia.org/wiki/Undersampling|aliasingu z vyšších nyquistových pásem]].
+=== Časové značkování ===
+Existence časových značek v záznamu je jedním z klíčových parametrů přijímací stanice. Pro uvažované přesnosti měření stačí jedna časová značka u význačné události v záznamu. (Například čas posledního vzorku.) Samotné vzorkování může probíhat podle volně běžícího oscilátoru, jehož frekvence muže být uložená v metadatech záznamu.
+Pro přidání informace o času k digitalizovanému signálu existuje více technických přístupů.
+  * Buď je možné synchronně s přijímaným signálem digitalizovat i [[cs:gnss|GNSS signál]] obsahující informace o čase.
+  * Nebo je příjem, demodulace a dekódování GNSS signálu řešen separátně a do pozorovacího záznamu jsou přidány pouze výsledky výpočtu.
+První možnost je technicky náročnější, neboť je buď spotřebován jeden digitalizační kanál na vzorkování navigačního signálu a nebo je navigační signál přimíchán k digitalizovanému signálu. Výhodou tohoto přístupu je minimální ztráta informace a tudíž i možnost zavést do pozorování dodatečné korekce získané například zpětně z referenčních stanic. Lze tak úplně využít všechny výhody signálového postprocessingu, neboť není vyžadováno, aby použité algoritmy poskytovaly nejlepší výsledek v reálném čase.
+Druhé technické řešení využívá integrovaného GNSS přijímače, který poskytuje časové služby. Takovým přijímačem může být například [[https://www.u-blox.com/sites/default/files/products/documents/u-blox8-M8_ReceiverDescrProtSpec_%28UBX-13003221%29_Public.pdf|uBlox]]
+Tento přístup je jednodušší avšak znemožňuje většinu zpětných korekcí měření, neboť dochází k podstatné ztrátě informace.
+=== Zpracování digitálního signálu ===
+Digitální signál z ADC je nutné dále zpracovávat, aby potřebný datový tok byl omezen pouze na význačná data. K tomu je potřeba signál přenést do staničního počítače přes vhodné rozhraní. Při uvažovaných šířkách pásma připadá v úvahu buď 1G Ethernet, nebo USB 3.0. případně lze uvažovat o přímé kombinaci [[cs:parallella|FPGA s ARM]]. Kde lze očekávat odpadnutí problémů s datovým rozhraním, neboť data z ADC pak mohou být přenášena z FPGA přímo do operační paměti ARMu.
+Poslední přístup je demonstrován na realizaci [[http://orbit.dtu.dk/files/118775559/Software_defined_GPS_receiver_on_the_Parallella16_board_v10.pdf| SDR GPS přijímače]]. Kde je zároveň využita paralelní výpočetní jednotka, která se v případě GPS stará o sledování signálů v kanálech. Podobné řešení by bylo zvláště vhodné v případě realizace časového značkování přimícháním GNSS signálu k měřeným datům.
+=== Staniční software ===
+V závislosti na konkrétním řešení předchozích záležitostí je potřeba zvolit konkrétní topologii staničního software. Obecně ale lze očekávat modulární řešení vycházející například ze systému [[https://www.gnuradio.org/|GNURadio]] s datovým výstupem jednotlivých detekovaných událostí ve formátu [[https://en.wikipedia.org/wiki/Hierarchical_Data_Format|HDF]] nebo [[https://en.wikipedia.org/wiki/FITS|FITS]].
+====== Varovné systémy ======
+Neumožňují získat přesnou informaci pozici výskytu bleskové činnosti. Pouze vyhodnocují přibližnou vzdálenost a odhadují přibližování/vzdalování. Příkladem je detektor bouřek s obvodem [[http://ams.com/eng/Products/Lightning-Sensor/Franklin-Lightning-Sensor/AS3935|AS3935]]
 Podobné konstrukce:
   * [[http://www.embeddedadventures.com/datasheets/MOD-1016_hw_v4_doc_v2.pdf|embeddedadventures]]
   * [[https://groups.google.com/forum/#!topic/weewx-development/4jBI5I3z3Dg|Pokus o připojení do weewx]]
-====== TODO ======
-  * detektor na blesku v baterce. (bezpecnost na horach)
 ====== Referenční projekty ======
-  * [[http://www.blitzortung.org/|Blitzortung.org]] Amatérská propracovaná pozorovací síť využivající metodu TDOA pro určování pozice blesků.
+  * [[http://www.blitzortung.org/|Blitzortung.org]] Amatérská pozorovací síť využivající metodu TDOA pro určování pozice blesků. Detekční stanice jsou distribuovány na základě pořadníku.
+  * detektor na blesku a atmosferického potenciálu v baterce. (Zvýšení bezpečnosti na horách)
-===== Ostatní zdroje =====
+  * [[https://news.slashdot.org/story/16/03/20/0242204/building-a-global-network-of-open-source-sdr-receivers|KiwiSDR  receivers network]]
-  * http://www.hamradio.cz/forum/viewtopic.php?f=16&t=51