MLAB wiki

Máte načtenou starší verzi dokumentu! Pokud ji uložíte, vytvoříte tím novou aktuální verzi.

====== Monitorování blesků a bouřek ======

Detekce bleskové činnosti v bouřkové oblačnosti může být mimo jiné prováděna [[http://www.atmo.arizona.edu/students/courselinks/spring13/atmo589/ATMO489_online/lecture_22/lect22_lightning_location_pt1.html |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.

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]].

===== LIGHTNING01A =====

V MLABu jsme se pokusili o realizaci modulu LIGHTNING01A pro detekci blesků založený na senzoru AS3935. [[https://github.com/ODZ-UJF-AV-CR/DIVISEK01/blob/DIVISEK01A/doc/publication/src/divisek.pdf |Experimenty provedené s tímto modulem]] jsou však spíše zklamáním a tento přístup rozhodně není využitelný pro další vědecký výzkum.

===== 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.

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]]
  * [[https://www1.gifu-u.ac.jp/~lrg/falma.html|FALMA]] - Japonská LMA síť.
  * [[https://habr.com/en/post/211701/|Ловец молний]] - experiment využívající k lokalizaci zvukový signál

Vyplňte, prosím, všechna písmena v poli, abyste dokázali, že nejste robot. Z L H J G Ponechte prosím toto pole prázdné:

Komentář k úpravám

Poznámka: Tím, že editujete tuto stránku, souhlasíte, aby váš obsah byl licencován pod následující licencí: CC Attribution-Noncommercial-Share Alike 4.0 International