MLAB wiki

Uživatelské nástroje

Nástroje pro tento web

Historie:
cs:sm

Rozdíly

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

Odkaz na výstup diff

Obě strany předchozí revizePředchozí verze
Následující verze		Předchozí verze
cs:sm [2017/06/02 09:59] – [Konstrukční realizace stanice] kaklikcs:sm [Neznámé datum] (aktuální) – upraveno mimo DokuWiki (Neznámé datum) 127.0.0.1
Řádek 1: Řádek 1:
-====== Monitorování blesků a bouřek ====== +====== Storm monitor ======
- +
-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]]. +
- +
-[[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.  +
- +
- +
-===== Měření parametrů atmosférických výbojů ===== +
- +
-Rádiové přijímací systémy se konstrukčně liší podle RF pásma ve kterém bude detekce provozována. Nejběžnější je následující rozdělení. +
- +
-==== LF přijímací stanice ==== +
- +
-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]] +
- +
-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]]. +
- +
-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]]. +
- +
- +
-==== 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]] +
- +
- +
-====== Referenční projekty ====== +
- +
-  * [[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) +
-  * [[https://news.slashdot.org/story/16/03/20/0242204/building-a-global-network-of-open-source-sdr-receivers|KiwiSDR  receivers network]]+
  
 +přesunuto [[cs:lightning|]]
cs/sm.1496397543.txt.gz · Poslední úprava: 2017/06/02 09:59 (upraveno mimo DokuWiki)