Uživatelské nástroje

Nástroje pro tento web


cs:lightning

Rozdíly

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

Odkaz na výstup diff

cs:lightning [2018/03/05 18:37] (aktuální)
Řádek 1: Řádek 1:
 +====== Monitorování blesků a bouřek ======
 +
 +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]].
 +
 +===== LIGHTNING01A =====
 +
 +LIGHTNING01A je modul pro detekci blesků založený na senzoru AS3935.
 +
 +===== 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]]
  
cs/lightning.txt · Poslední úprava: 2018/03/05 18:37 (upraveno mimo DokuWiki)