ZIVATAROK VILLÁMLÁS AKTIVITÁSÁNAK MEGFIGYELÉSE VHF FREKVENCIÁKON

HUNGARIAN METEOROLOGICAL SERVICE – REMOTE SENSING DIV.- ISO 9001:2000

ZIVATAROK VILLÁMLÁS AKTIVITÁSÁNAK MEGFIGYELÉSE VHF FREKVENCIÁKON Dombai Ferenc, Barta András Suhai Bence

[email protected]


VILLÁMLÁSOK TÍPUSAI ÉS SPEKTRUMA

Felhın belüli kisülések – IC villámok - elosztott töltéshalmazok között zajlik - rövid impulzusokból és impulzus sorozatokból épül fel, kisebb csúcsáramok, - energia maximuma magasabb frekvenciákon Felhı-Föld kisülések – CG villámok - koncentrált indukált töltések a talajon - lassúbb jelenség nagy csúcsáramokkal - energia maximum kisebb frekvenciákon, VLF/LF

VHF sugárzás a villámlás teljes idıszakában [email protected]


MIÉRT KELL FOGLALKOZNUNK VHF DETEKTÁLÁSSAL ? Mert a felhı - Föld (CG) villámlások a zivatarok elektromos aktivitásának csak kis hányadát reprezentálják, 2-20 % , a többi felhın belüli kisülés (IC). Mert a felhın belüli kisülések gyakoriságának növekedése közel 30 perces idıvel megelızi az elsı felhı-föld villámok megjelenését. Mert a teljes villámlás (IC+CG) gyakoriság jellemzı indikátora a konvektív jelenségek veszélyességének, a felhı villámlások hirtelen megnövekedése a helyzet „komolyra” fordulást jelenti! Mert a felhın belüli (IC) villámlások jól mutatják a zivatarfelhızet kiterjedését beleértve a „üllı” felhızet régióit is. Mert az IC/CG arány, az IC villámok vertikális eloszlása, gyakoriságuk térbeli idıbeli eloszlása felhasználható a zivatarfejlıdés valós idejő nyomon követésére késedelem nélkül. [email protected]


SZUPERCELLA - 2011 JÚLIUS 20, 08:00 UTC

MRL-5 radar RHI metszet

Szolnok

Kecskemét

Max VIL 44 kg/m2 felett !!!

[email protected]

Max dBZ 55-60 > 55 dBZ 12 km-ig ! Max VIL 44-64 kg/m2 > 25 m/s áthelyezıdés ! 500 IC / 5 min


VILLÁMLÁS GYAKORISÁG IDİBELI LEFOLYÁSA

200

Flash aktivitás LINET 20110720 flash/min

150

Kecskemét 07 20 07:00 07:59 100

AWS mérés

35 30

50

25 Átlag Lökés Hımér.

20 0

06:00

07:00

08:00 Idı

09:00

15 10 5

IC aktívitás7:30

0 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 Idıpont

A VHF aktivitás hirtelen megnövekedése egybeesik a max szélökés (30 m/s) idejével 7:30 kor, az IC/CG végig magas marad a szupercella kifejlıdése során

[email protected]


VIILLÁMLÁSOK TERÜLETI ELOSZLÁSA

Az IC villámlások (SAFIR – VHF) területi eloszlása egybeesik a szupercella kialakulásának térségével.

A CG villámlások (LINET – LF) területi eloszlása a szupercella kifejlett, „érett” idıszakában befutott pályáját tükrözi

[email protected]


MIÉRT IDİSZERŐ A KÉRDÉS ?

- A 1998 óta mőködı SAFIR egyre nehezebben fenntartható mert 2006 –tól a VAISALA nem biztosít alkatrészt és supportot (DOS központi szoftver !)

- A kereskedelmi „Total Lightning” rendszerek (VAISALA új LS8000/CP8000 és EarthNet „HTLN” rendszer rendkívül drága kb. 1.2 millió EUR + 10 kEUR/év

- Meteorológiai szolgálatok törekednek a „ teljes villámlás aktivitás” megfigyelésre példa: 2012 augusztus: EarthNet nyerte az USA metorológia szolgálatának NWS tenderét az USA és a Kanada hálózatát mőködtetı VAISALA-val szemben.

- új technológiák jelennek meg , VHF - TDOA (Time Difference Of Arrival) alapú rendszerek

LMA – Lightning Mapping Array - egyetemek, Kennedy Space Center

LMA – mobile - egyetemek

[email protected]


LIGHTNING MAPPING ARRAY – MOBILE (New Mexico Tech Univ)

- „Hőtılátában” elhelyezett mobil szenzorok min 6 db - 50-120 MHz LOG VHF vevı / 4 MHz sávszél. - > 10 MHz / 12 bit ADC analog/digital konverzió - jobb 50 ns abszolút idı szinkron ( GPS + oszcillátor). - Villám „pulzus” jelalak felismerés. - egy forrásból érkezı pulzusok azonosítása. - lokalizációs egyenletrendszer megoldása 3D-ben (iteratív, non - iterative stb. - vizualizáció – 3D adatokkal - source -> branch -> flash -> strokes algorithmusok - adabázis építés - alkalmazói rendszerek

[email protected]

- kutatások


LMA MÉRÉSEK

Balra Egy teljes villámlás folyamatának megfigyelése - 7320 pont –> 1 flash Jobbra Zivatar gócokat kerülı repülıgép nyomon követése – 67325 pont

[email protected]


HAZAI VHF MEGFIGYELÉSEK LEHETİSÉGE

A VHF LMA szenzorokhoz minden HW elem kereskedelmi forgalomban, elérhetı áron beszerezhetı (antenna, VHF vevı, LOG erısítı, tranziens rekorder ADC, GPS modul 10 ns stabilitással, ipari PC vagy mikrokontroller, WIFI LAN modul stb.)

Szenzor modulok integrálása tesztelése egyetemi közremőködéssel megoldható.

VHF jelfeldolgozó algoritmusok kifejleszthetık egyetemi ill. saját erıforrásokkal.

„Core” algoritmusok, mint VHF pulzus felismerés, pulzusok összerendelése és iterative és non–iteratíve lokalizációs számítások algoritmusait jelenleg fejlesztjük.

Szimulációs vizsgálatokat végeztünk valós idejő lokalizációs algoritmus kifejlesztéséhez

Követelmény: 6 - 8 szenzor adatainak feldolgozása és legalább 10 000 mérési pontra történı számítás 1 másodperc alatt

Megvalósíthatósági tanulmányterv elkészítése - késıbb

[email protected]


Rendszer magját adó algoritmusok

Jel rögzítése és digitalizálása

HW-függı

Jelek felismerése, összerendelése

HW-függı

TDOA alapú lokalizáció

Független a mérés módjától (használt frekvenciától, detektor jelétıl, stb.)

[email protected]


VIZSGÁLATOK - SZIMULÁCIÓK Adatbázis – valós LMA mérések adatai: USA New Mex Tech – Prof Kreihbel 2010 Aug. 23 22:00:01 UTC (79201.009821694 – 79316.393765888) VHF Power distribution 3000 2500

VHF Sources

2000 1500 1000 500 0 -20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

Power dBW

átl. jelszint (-5 : 7 dBW) Delta Time distribution 9000 8000 7000

VHF sources

6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 0.00001

0.0001

0.001

0.01

0.1

1

10

Delta time (sec)

1 góc 47060 pont

átl. idıköz: 50 : 100 us) Delta Distances distribution 2000 1800

[email protected]

1600 1400 VHF Sources

2 perces ablak több mint 10 góc 86100 pont Cent Pos: -107.00 W, 33.85N Window: +/- 1 fok, 116 sec

1200 1000 800 600 400 200 0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

Delta distence km

átlagos távolság: 150 : 250 m


Hiperbola alapú helymeghatározás

Idıkülönbséggel érkezik meg a jel a detektorokhoz Idıkülönbség ⇨ távolságbeli különbség Két detektortól adott távolságbeli különséggel rendelkezı pontok: hiperbola

[email protected]


Hiperbola alapú helymeghatározás

Ha 3 detektorunk van: Másik két detektorpár ⇨ másik, metszı hiperbola Metszéspont ⇨ a forrás helye

[email protected]


Hiperbolák metszéspontja

Kiszámítása nemlineáris egyenletrendszer megoldását jelenti, ami nem triviális, de vannak módszerek az egyszerősítésre. Olyan módszert kerestünk, ami: - nem iteratív (gyors, nem téved be lokális minimumba), - közelíti az optimumot, - kihasználja a többletinformációt az eredmény pontosítására, - jó a zajtőrése (olcsóbb detektor)

[email protected]


Chan & Ho módszere*

Elsı lépés: redundáns mérésekre egy átmeneti változót bevezetve a kapott egyszerő LER megoldásával becsült eredmény Második lépés: mért értékek eloszlása ismert, ezzel az elızı becslés pontosítása Levezettük 3 térbeli koordinátára a megoldást. Implementáció: • C/C++ • “Eigen” nagysebességő lineáris algebra könytár • Grafikus felhasználó felület • Beálltható tetszıleges számú detektor • Valós LMA adatok beolvasása illetve generálható teszt-adatforrások *A Simple and Efficient Estimator for Hyperbolic Location, Y. T. Chan, and K. C. Ho, IEEE TRANSACTIONS ON SIGNAL PROCESSING, VOL. 42. NO. 8, AUGUST 1994

[email protected]


Mérés-szimuláció menete

Mért villámpozíciók

⇨

számolt TDOA -k (ns) ⇨

. . .

[email protected]

újraszámolt villámpozíciók


Eredmények Számítási teljesítmény: ~120 000 pozíció / sec (6 detektor, notebook processzoron, egy végrehajtási szál)

[email protected]


Eredmények Program 3D villámpozició rekonstruálásához

[email protected]



[email protected]



[email protected]



[email protected]


Hibaforrások Detektorban idıszinkron bizonytalansága ⇨ detektor hiba Geometriai elrendezés hatása a 3D rekonstrukció hibájára:

Metszéspontban érintık közel merılegesek ⇨ hiba nem nı

Metszéspontban érintık kis szöget zárnak be ⇨ hiba nı 3 dimenzióban, egy síkban elhelyezkedı detektoroknál a síkra merılegesen jelentkezhet

[email protected]


Detektor hiba hatása Oldalról

Fölülrıl

TDOA hiba szórása: 0ns Átlagos pozíció hiba (m): 16.6472 [email protected]



Fölülrıl




Fölülrıl




Fölülrıl




Fölülrıl



Optimalizálás Detektorok

Források

Számított pozíciók és hibák

[email protected]


Detektorok száma Szimulációval igazoltuk, hogy Chan és Ho módszerénél a redundáns mérések tényleg csökkentik a hibát. 0 ns és 10 ns detektorhiba mellett is drasztikusan csökken a helymeghatározási hiba már egy-két detektor beiktatásával:

[email protected]


Helyzetmeghatározási szimulációk fontosságáról Megtervezhetı az optimális detektor elrendezés. Meghatározható kívánt lokalizációs pontosság eléréséhez a hardware –rel szemben támasztott igény. Meghatározható egy adott hardware –hez szükséges detektor-szám. Remélhetıleg az elsı lépés egy majdani VHF-TDOA detektorhálózat megépítése felé.

[email protected]


Köszönöm a figyelmet!

[email protected]

ZIVATAROK VILLÁMLÁS AKTIVITÁSÁNAK MEGFIGYELÉSE VHF FREKVENCIÁKON

Recommend Documents