[发明专利]闪电的探测

说明书

技术领域

本发明涉及闪电探测器。本发明具体涉及移动闪电探测器，该移动闪电探测器配备有天线、放大器前端、A/D转换器和数字信号处理器。本发明还涉及用于探测闪电的方法。

背景技术

雷暴是主要的天气危害，但是很难预测。它们可以以20km/h到40km/h的速度传播，并且雷击可以在雨云之前大于10km处发生，并且也可以在雨云之后的同样距离处发生。虽然云或气象锋面造成了雷击，但是很多最危险的雷击实际上发生在之前并没有可见的雷暴警告云出现的时候。因此，尽管系统仅在有害雷暴可见大约十分钟之前发出对于其可能性的警告，但是可以认为这是主要的安全特性。

很多人将从这样的安全特性中获益。对于某些人，它可能仅提供每天希望知道的知识。然而，对于相当数量的人来说，源自暴风雨以及闪电的威胁显著地表现为以下形式：增加的风险、财产损失或甚至是致命的结果。闪电警告系统例如对于经常在户外的人来说具有特别的重要性，并且对于飞行员、导航员等同样如此。提供闪电警告的系统甚至在天气看起来非常平静并且晴天时也使人能够及时采取适当的安全措施，例如寻找掩蔽处等。

根据现有技术状态，已知很多单一目的闪电探测器，但是它们在商用方面具有某些缺点。

气象学中使用的科学闪电探测器非常大并且它们的范围是数百公里。

而且，使用单个射频(RF)频带的其他高端闪电探测器相比于例如移动电话来说很大并且相对昂贵。而且，它们通常需要具有指定的定向，例如放置在墙上或桌上，从而获得所需的准确度或方向性。因此，它们不能很好地适合实际的移动使用。这些设备通常必须被进一步被垂直地定位，并且在对雷暴进行可靠探测成为可能之前保持数分钟的稳定。

另外，现在还存在不太贵的低端闪电探测器，其在大小上完全便于携带并且不需要指定朝向。然而，这些探测器极易受到电磁兼容性(EMC)辐射的影响，并且因此很可能在城市场景或高速公路等附近中引起虚假警报。

发明内容

本发明源自以下考虑：即雷击是单次闪光，除了可视信号和部分可听的压力信号之外，该闪光还生成延展到多种波长的短暂但强烈的电磁脉冲。由雷击引起的典型的电磁脉冲覆盖10Hz和5GHz之间的频率，其在大约500Hz处具有峰值，即位于音频频率范围中。在10km的归一化距离上，此类脉冲幅度在1kHz的带宽中范围从107mV/m到1mV/m。电磁脉冲的最强信号是雷击中的垂直电流引起的感应电场，并且这是用于探测闪电方位和距离的大型设备中测量的最普通的参数。

然而，由于雷击现象的复杂性，在几百Hz或更低的极低频(ELF)范围中还存在强信号，并且延伸至GHz范围及以上还存在较弱信号。

众所周知的事实是，电磁干扰(EMI)特性的确切特征以及时间范围在MHz范围内有kHz和Hz范围的不同，因为轻微不同的气象学机制引起了它们的不同。

然而，出于本发明的目的，足以引起注意的是，在所有感兴趣的频率上，雷击伴随着可以在数公里的距离上识别的EMI脉冲。

作为EMI脉冲的结果，在邻近区域内，雷击期间主要干扰RF信道。由于雷击所引起的EMI而对RF接收器的损害可以以静电噪声(static)、咔嗒声(click)、噼拍噪声(scratches)、图片干扰或声音丢失之类的形式而体现在AM/FM无线电、TV或在供电线路上。可以在非常大的距离上感测由雷击造成的RF信道扰动。专用的大型闪电探测器能够在距离雷击数百公里的距离上探测闪电扰动，即所谓的天电干扰(sferics)，即使这些探测器通常如本发明那样通过测量感应电场来操作，而不是通过测量音频或RF信号中的干扰来操作。

已知普通的AM无线电在距雷击高达30km或更远距离上受到EMI扰动，这甚至可以在音频信号中直接听到，类似于各种咔嗒声。在比AM频带高的频率(SW、LW、MW)上，信号通常由于大气衰减和不同原因的机制变得非常弱，但是在很大的距离上还是可探测的。

虽然在已知的移动RF设备中，诸如在普通移动电话中，通过滤波或作为使用调制的结果而立即消除了接收的RF信号中的电磁干扰，但是本发明提出估计监测的RF信道中的此类电磁干扰。如果探测到的干扰看起来是由雷击引起的，则可以向例如移动电话的用户发出警告。例如，如果干扰超过了预定的阈值或者如果它具有属于雷击特性的频谱，则可以假设该干扰是由雷击引起的。只要打开RF探测就可以打开闪电探测。

因此，本发明提供可以在例如蜂窝电话之类的移动RF设备中实现的新的安全特征。