ES2400103T3 - Procedimiento y aparato para controlar la actividad de las tormentas sobre la superficie de la tierra en tiempo real - Google Patents

Abstract

Procedimiento para controlar la actividad de las tormentas en la superficie de la Tierra en tiempo real con unanálisis de señales electromagnéticas inducidas por descargas eléctricas en la atmósfera en células de tormenta, enel cual: - se registran señales de campo electromagnético ELF generadas en un resonador Tierra-ionosfera(211), - se someten dichas señales registradas a un análisis espectral (212) con la generación de susespectros de energía (Sx, Sy), caracterizado por el hecho de que el procedimiento comprende, además, las etapas de: - corresponder los espectros de energía (Sx, Sy) con curvas de resonancia para parametrizar losespectros de energía (213) mediante un conjunto de parámetros de observación (pk, fk, γk y ek) enbase a modelos de propagación de resonancia de campo de ELF en el resonador Tierra-ionosfera, - comparar los parámetros de observación (pk, fk, γk y ek) dependientes de la distancia y la intensidadde las descargas eléctricas con parámetros de base (pok, fok, γok y eok) contenidos en una base dedatos de parámetros modelo (214), - en el que los parámetros de base seleccionados como la mejor aproximación a los parámetros deobservación (pk, fk, γk y ek) dependientes de la distancia y la intensidad de las descargas eléctricas seutilizan para desarrollar un mapa (M(x, y)) de posición e intensidad de las descargas eléctricas (216).

Description

Procedimiento y aparato para controlar la actividad de las tormentas sobre la superficie de la tierra en tiempo real.

5 Campo técnico

El objeto de la invención es un procedimiento y un aparato para controlar la actividad de las tormentas en la superficie de la Tierra en tiempo real utilizado para mediciones remotas de la actividad del centro de la tormenta y determinar su ubicación. El control de la actividad de las tormentas es importante para la seguridad del transporte aéreo y marítimo, y juega un papel importante en la predicción del tiempo.

Antecedentes de la técnica

Actualmente existen varios procedimientos para registrar descargas eléctricas en la atmósfera, que se producen 15 dentro de una nube de tormenta, entre las nubes y/o entre una nube y el suelo.

El primer procedimiento para controlar la actividad de las tormentas se basa en observaciones ópticas de satelitales de relámpagos que se producen, tal como se ha indicado anteriormente, dentro de nubes de tormenta, entre las nubes y/o entre las nubes y el suelo. El procedimiento proporciona información detallada de un área que se observa directamente mediante instrumentos montados en un satélite. La zona observada cubre una ca. de 105 km2, que constituye sólo una pequeña parte de la superficie de la Tierra. El sistema de observación orbital, incluso con una red ampliamente extendida de satélites, no puede garantizar un sistema de control global de la actividad de las tormentas fiable.

25 El segundo procedimiento para el seguimiento de tormentas está asociado a la detección de señales electromagnéticas dentro de las radiofrecuencias de VLF, HF, y VHF, generadas durante las descargas eléctricas en la atmósfera. Este procedimiento permite una evaluación de la intensidad de la descarga y su ubicación. Su inconveniente, sin embargo, es una gama de las señales, que - dentro de estas frecuencias - se limita a distancias de hasta varios cientos de kilómetros en HF, y varios miles de kilómetros en VLF. Cubrir grandes zonas para permitir la observación utilizando estaciones requiere una densa red de estaciones de seguimiento. En la actualidad, el sistema de monitoreo más desarrollado realiza análisis de señales registradas simultáneamente en frecuencias VLF y HF. Éste opera solamente en países altamente desarrollados, de modo cubre sólo un pequeño porcentaje de la superficie de la Tierra.

35 El tercer procedimiento se basa en el seguimiento de señales solamente en VLF. El rango de una sola estación es de hasta mil kilómetros. En la actualidad, el sistema mundial está basado en 27 estaciones de medición.

La propagación de señales de campo electromagnético de frecuencias extremadamente bajas (ELF) es conocido de resultados publicados de la investigación realizada por científicos de la Jagiellonian University, Cracovia, Polonia, presentados en el documento titulado “Studies of ELF propagation in the spherical shell cavity using a field decomposition method based on asymmetry of Schumann resonance curves", Journal of Geophysical Research, vol. 111, A10304, doi: 10.1029/2005JA011429, 2006. De acuerdo con la tesis presentada en este trabajo, la asimetría de la curva y la variabilidad de las frecuencias de resonancia máximas en el espectro ELF observado surgen de la superposición del campo de ondas estacionarias, que crean los modos de resonancia con el campo de la onda que

45 sale de las fuentes. El problema a resolver fue si era posible separar los componentes de ambos campos y medirlos de manera independiente en el resonador. Se ha propuesto un nuevo enfoque para este problema y consiste en medir el espectro de asimetría o un espectro de señal obtenido por la observación de componentes del campo eléctrico o un campo magnético con una única antena. En este enfoque se supuso que el espectro de la señal en cualquier punto del resonador incluye una parte simétrica relacionada con la componente de campo de resonancia y una parte asimétrica conectada al campo de ondas que se propagan. El espectro de potencia de un componente de campo se ha determinado usando la fórmula:

Esta fórmula permite la determinación de la distancia aproximada e desde cualquier punto de un resonador a una única fuente de ondas progresivas.

Los procedimientos de observación de las descargas atmosféricas que se ha descrito anteriormente, aun asumiendo una expansión considerable de la base de la observación, no permiten un control global de la actividad de las tormentas en toda la superficie de la Tierra. Además, ninguno de los procedimientos anteriores garantiza una eficiencia de detección de un 100% de descargas eléctricas en la atmósfera. Actualmente se estima que la eficacia de los procedimientos mencionados es entre un 60 y un 80 por ciento, dependiendo del procedimiento aplicado, y de los algoritmos de análisis de señal utilizados.

El documento de A. P. Nickolaenko e I. G. Kudintgseva, “A modifed technique to locate the sources of ELF transient events”, Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics, Volumen 56, número 11, páginas 1493-1498, 1994, describe una técnica para localizar las fuentes de eventos ELF registrando una componente eléctrica vertical y dos magnéticas ortogonales del cambio calculando una FFT que emite espectros complejos, y finalmente proporcionando un procedimiento de cálculo que permite la determinación de la distancia al evento de descarga, así como el índice de atenuación que es una propiedad del resonador Tierra-ionosfera.

El documento de A.V. Shvets, "ELF Tomography of the World Thunderstorm Activity", Telecommunications and Radio Engineering, 55 (8), páginas 43-51, 2001, describe tomografía ELF para reconstruir la distribución espacial de la actividad de las tormentas en el mundo. Para ello, proporciona diversos sitios de detección separados geográficamente y utiliza un análisis espectral del campo de resonancia de Schumann en cada sitio. Utiliza la dependencia de la ubicación (es decir, rango respecto a la actividad de las tormentas de los diferentes sitios) sobre la intensidad medida, lo que permite la determinación de la ubicación de la descarga.

El documento de A.V. Shvets, “A technique for reconstruction of global lightning distance profile from background Schumann resonance signal", Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 63 (2001), páginas 1061-1074, 2001, describe la determinación de la posición de la descarga utilizando un modelo de cálculo basado en el análisis espectral del campo de resonancia de Schumann asimétrico.

Los documentos de Y. Ando, M. Hayakawa y AV Shvets, "Finite difference analyses of Schumann resonance and reconstruction of lightning distribution", Radio Science, volumen 40, RS2002, páginas 1-14, 2005, y de Y. Ando y M. Hayakawa “2-D Finite Difference Analyses of Schumann Resonance and Identification of Lightning Distribution”, IEEJ Trans. FM, volumen 124, número 12, páginas 1225-1231, 2004, también describe el uso de algoritmos de cálculo similares basándose en el campo de resonancia de Schumann en el dominio de frecuencias para determinar la posición de una descarga.

OBJETIVO DE LA INVENCIÓN

El propósito de la invención es un procedimiento y un aparato para el control global de la actividad de las tormentas en toda la superficie de la Tierra.

Descripción de la invención

El procedimiento de control de la actividad de las tormentas de acuerdo con la presente invención se basa en un análisis de las señales electromagnéticas inducidas por descargas eléctricas en la atmósfera en células de tormenta, de manera similar a los procedimientos mencionados anteriormente. La idea de la invención es que se registran señales electromagnéticas de frecuencias extremadamente bajas (ELF) inducidas dentro del campo resonador Tierra-ionosfera, después se someten a un análisis espectral en base a modelos de propagación de resonancia relativos a campos de ELF en el resonador Tierra-ionosfera. A continuación, las características dependientes de la distancia entre la posición de las descargas eléctricas y las antenas, es decir, distancias de la fuente, e intensidad se separan y se comparan con los parámetros de la base de datos modelo. El conjunto mejor aproximado de parámetros de base identifica la posición y la intensidad de esas fuentes. El análisis puede realizarse en tiempo real, y sus resultados pueden mostrarse en forma de mapas de actividad de las tormentas.

Debido a las propiedades especiales de la propagación de la resonancia de onda dentro del campo de ELF un único dispositivo puede registrar señales procedentes de todas las descargas eléctricas en la atmósfera de la Tierra, y las señales registradas permiten una preparación explícita de mapas de la actividad de las tormentas a distancias de hasta 10000 km. La aplicación de varios dispositivos ubicados en distintos continentes permite obtener imágenes definidas de la actividad de las tormentas en coordenadas geográficas a escala global.

Preferiblemente, se registran señales de campo electromagnético de ELF en zonas donde no hay fuentes de campo eléctrico locales utilizando dos antenas magnéticas horizontales dispuestas perpendicularmente entre sí, y situadas sobre la superficie, o cerca bajo la superficie del suelo, y colocadas a lo largo de las direcciones NS y EO. Las señales, después de ser amplificadas, filtradas y procesadas por ejemplo a una frecuencia de muestreo de 180 Hz en señales digitales de observación se transmiten por radio a una unidad electrónica de procesamiento de datos donde se someten a un análisis espectral. Los espectros de potencia de señal generados se hacen corresponder con unas curvas de resonancia, lo que permite una parametrización de estos espectros. A continuación, estos parámetros se comparan con parámetros de base almacenados en la base de datos modelo, que ha sido creada con el conocimiento del modelo de propagación de ondas ELF en el resonador Tierra-ionosfera o cavidad o guía de ondas. Utilizando un procedimiento para minimizar la desviación de parámetros de observación de los parámetros de base, se realiza una selección respecto a un conjunto de parámetros de base, cuyos valores serían mejor aproximados. Un conjunto de parámetros de base reconstruyen la posición y la intensidad de las fuentes de tormenta donde se producen las descargas eléctricas en la atmósfera. En base al conjunto de parámetros de base puede prepararse un mapa de fuentes.

Con el fin de realizar una parametrización para cada espectro de potencia Sx, Sy, se recomienda hacer corresponder curvas de resonancia utilizando la fórmula:

donde:

S(o) - espectro de energía correspondido; a - parámetro que describe ruidos cromáticos de fondo, b - parámetro que describe ruidos de fondo de banda ancha; a - índice espectral de ruidos cromáticos; o - ritmo (pulsación); pk - valor de potencia máxima del pico de resonancia k-ésimo; ek - parámetro de asimetría del pico de resonancia k-ésimo; ok - tasa de resonancia del pico de resonancia k-ésimo que es igual a 2 nfk; lk - media anchura del pico de resonancia k-ésimo.

Otra idea de la invención es un aparato para controlar la actividad de las tormentas en la superficie de la Tierra en tiempo real, equipado con dos antenas activas, magnéticas e inductivas, perpendiculares una contra la otra a lo largo de las direcciones NS y EO y colocadas sobre la superficie del suelo o cerca bajo éste y conectadas entre sí mediante cables protegidos al bloque de registro de señales de observación con dos trayectorias de señal idénticas y amplificadores, filtros, convertidores analógico a digital y un sistema de control, cuyo reloj está sincronizado a través del receptor del sistema con tiempo GPS, y en el que la unidad electrónica de procesamiento de datos está programada de acuerdo a un algoritmo aplicado al análisis espectral de señales de ELF y un algoritmo de determinación de características dependientes de la distancia y de la actividad de las fuentes de descarga de tormentas.

Preferiblemente, el bloque de registro de señales de observación está conectado a la antena de transmisión que transmite datos procesados en el convertidor analógico a digital, mientras que la unidad de recuento está conectada a la antena de recepción que se comunica con la antena de transmisión conectada al bloque de registro de señales observación.

Breve descripción de los dibujos

La invención se describirá ahora a modo de ejemplo y con referencia a los dibujos adjuntos en los cuales:

La figura 1 muestra la Tierra y un centro de tormentas que genera ondas electromagnéticas de ELF; La figura 2 muestra un diagrama de flujo de un procedimiento de control de la actividad de las tormentas; La figura 3A muestra antenas receptoras en el campo de ELF; La figura 3B y 3C muestran un aparato para controlar la actividad de las tormentas en la superficie de la Tierra en tiempo real; y La figura 4 muestra tres picos de resonancia seleccionados, relacionados con los primeros tres máximos consecutivos propagación.

Mejor modo de llevar a cabo la invención

Las realizaciones presentadas en los dibujos sólo son para fines ilustrativos y no limitan el alcance de la invención según se define por las reivindicaciones que se acompañan.

En las figuras 1 a 5 se muestra el aparato para controlar la actividad de las tormentas en la superficie de la Tierra en tiempo real, para el cual se presentará una solución de acuerdo con la invención con un ejemplo de un aparato de control de la actividad de las tormentas utilizado para mediciones remotas de la actividad del centro de la tormenta y su ubicación en la superficie de la Tierra. Los componentes o unidades del aparato para llevar a cabo las mismas funciones se han designado en todas las figuras con la misma numeración o símbolos que sólo se diferencian en el primer dígito, el cual se asigna a la figura específica y su número.

La figura 1 muestra esquemáticamente la Tierra 100 con un centro de tormenta 101. El centro de la tormenta genera señales de campo electromagnético de ELF en la cavidad de aire 104 o, en otras palabras, en el resonador Tierraionosfera, siendo las señales ondas electromagnéticas de ELF 102 y 103 que se propagan en todas las direcciones en la cavidad Tierra-ionosfera 104. En la figura 1 se muestra una única descarga eléctrica atmosférica 109 que genera, entre otras cosas, la primera onda electromagnética 102 que se propaga en sentido antihorario y la segunda 103 que se propaga en sentido horario en la cavidad de aire 104 creada entre la ionosfera 105 y el suelo 106. Estas ondas rodean la Tierra muchas veces interfiriendo entre sí y también llegando a las antenas receptoras 110, 120 dispuestas en una posición favorable perpendiculares entre sí. Debido a la interferencia de las ondas generadas por el centro de la tormenta 101, las ondas de frecuencias específicas se desvanecen y de este modo se crea una serie de picos de resonancia.

La figura 2 muestra esquemáticamente un diagrama de flujo de un procedimiento para controlar la actividad de las tormentas en la superficie de la Tierra en tiempo real. En la primera etapa 211, las componentes del campo electromagnético Hx, Hy creado por las descargas eléctricas generan señales que son registradas por dos antenas magnéticas. En la etapa 212, estas señales se someten a unos procesos de análisis espectral idénticos como resultado de lo cual se genera el espectro de potencia Sx y Sy. Debido a la naturaleza de resonancia de la propagación de la señal de ELF en la cavidad Tierra-ionosfera, los espectros adoptan una forma de una serie de picos de resonancia, asociados a máximos de propagación posteriores. En la etapa 213, cada espectro de potencia Sx y Sy se hace corresponder con unas curvas de resonancia, descritas por la fórmula específica que se describe en detalle más adelante. El resultado del procedimiento de correspondencia es la parametrización de los espectros. Cada uno de los espectros Sx y Sy se asigna a grupos de parámetros de observación pk, fk, Yk y ek. En la etapa 214, se comparan conjuntos de parámetros para cada señal con parámetros de base pok, fok, Yok y eok, que se encuentran almacenados en una base de datos de parámetros modelo B. La tarea del sistema de comparación es la selección de un conjunto de parámetros de base pok, fok, Yok y eok, cuyos valores sean lo más cercanos al conjunto de parámetros de observación pk, fk, Yk y ek como sea posible. Para este fin se aplica uno de los procedimientos de minimización disponibles para minimizar la desviación de los parámetros de observación pk, fk, Yk y ek de los parámetros de base pok, fok, Yok y eok. La base de datos de parámetros modelo B se construye con la aplicación de los conocimientos del modelo de propagación de ondas de ELF en la cavidad Tierra-ionosfera en la etapa 215 después de, por ejemplo, la confirmación de las descargas eléctricas observadas en la atmósfera. Como existe un conjunto característico de parámetros de base para cada distancia entre el observador, es decir, antenas, y la fuente, es decir, una descarga eléctrica, y para cada intensidad de descarga, por lo tanto la asignación del conjunto de parámetros de observación pk, fk, Yk y ek al conjunto de parámetros de base pok, fok, Yok y eok permite la representación de las posiciones de la fuente y su intensidad. En la etapa 216 se prepara un mapa de las fuentes. La capacidad de resolución del mapa obtenido depende estrictamente del número de parámetros de observación espectral pk, fk, Yk y ek, obtenidos en la etapa 213 de descomposición de la señal, y del nivel de ruido local que acompaña la medición. Los parámetros de observación pk, fk, Yk y ek son funciones que dependen de la distancia y la intensidad de las descargas eléctricas que ayudan a reconstruir el lugar y la intensidad de las descargas eléctricas y forman una base sobre la cual puede realizarse un mapa de fuentes de tormenta (M(x, y)). Las ambigüedades del mapa dependen estrictamente de la forma de los conjuntos de base de distribución de campo, es decir, son una derivada del modelo de propagación adoptado.

El campo electromagnético de ELF 301, mostrado esquemáticamente en la figura 3A, creado en la cavidad de aire, tiene unas componentes Hx, Hy, Hz de las cuales Hx, y Hy las reciben dos antenas de recepción direccionales horizontales, Ax 321 y Ay 322, idealmente perpendiculares entre sí, y están situadas en una zona de la Tierra sin fuentes de campo eléctrico locales. Las antenas Ax 321 y Ay 322 son normalmente antenas inductivas, magnéticas y activas de, por ejemplo 1 m de largo, con una sección transversal central de 1 cm2. Preferentemente, las antenas Ax 321 y Ay 322 van protegidas contra campos eléctricos externos, si los hay, y están situadas sobre la superficie del suelo 106 o cerca bajo éste, normalmente a lo largo de las direcciones NS y EO. Debido al campo electromagnético de ELF 301 en estas antenas direccionales de recepción Ax 321 y Ay 322 se generan señales Ux 331 y Uy 332.

Antes de que las señales Ux 331 y Uy 332 sean sometidas a un análisis espectral en base a modelos de propagación de resonancia de campo de ELF en la guía de ondas Tierra-ionosfera o en la cavidad Tierra-ionosfera, de manera resumida -la cavidad de aire, y la separación características dependientes de la distancia y la intensidad de la fuente, las señales Ux 331 y Uy 332 generadas en las antenas de recepción magnéticas direccionales Ax 321 y Ay 322 se transmiten a un bloque que registra las señales de observación en dos trayectorias de procesamiento idénticas, preferiblemente separadas, tal como se muestra en la figura 3B y 3C a la entrada de unos amplificadores de banda ancha y bajo ruido Gx 341 y Gy 342 por unos cables protegidos por ejemplo de 100 m de largo y, a continuación, tras ser amplificadas, se hacen pasar a través de unos filtros “anti-aliasing” de paso bajo BPFx 351 y BPFy 352 de paso de banda, por ejemplo, 1-60Hz y después procesadas de forma analógica a digital, por ejemplo, en conversores analógico a digital de 16 bits A/Cx 361 y A/Cy 362 conectados con un sistema de control uP 365. El muestreo de la señal se realiza de manera sincronizada en ambos convertidores analógico a digital A/Cx 361 y A/Cy 362 con la frecuencia de 180 Hz, por ejemplo. El aparato con los dos bloques descritos anteriormente y más adelante está equipado con un receptor GPS 364 gracias al cual se sincroniza un reloj del sistema de control con tiempo GPS. Las señales digitales Ux 331 y Uy 332 se codifican y se dirigen después a un sistema de radiotransmisión de baja potencia 366 con una antena T 367 que transmite datos procesados en el convertidor analógico a digital o a la línea de guía de ondas. También es posible otra solución si las señales digitales Ux 331 y Uy 332 pueden transmitirse a un sistema de control para un análisis adicional, por ejemplo, a un PC con el uso de enlaces de comunicación. Sin embargo, con esta solución existe el riesgo de introducción de ruidos a las trayectorias de medición. En la solución favorable presentada en la figura 3B todos los bloques de aparato descritos hasta ahora se encuentran lejos de las líneas eléctricas y son alimentados desde una fuente de alimentación autónoma, mientras que la transmisión de señales a la unidad de recuento, por ejemplo un PC, tal como se ha mencionado anteriormente, se lleva a cabo por radio o luz.

En el ejemplo presentado las señales digitales Ux 331 y Uy, 332 las recibe un sistema receptor de radio 376 situado

5 alejado varios kilómetros de las antenas, por ejemplo 3-10 kilómetros, y equipado con una antena de recepción 377, después se descodifican y se envía a una unidad de recuento 375, por ejemplo, un PC alimentado de la red eléctrica. Al tratarse la unidad de recuento 375 de un sistema de procesamiento electrónico, ésta está programada de acuerdo con un algoritmo de análisis espectral de la señal de ELF y un algoritmo relacionado con la determinación de las características dependientes de la distancia y la actividad de las fuentes de descargas

10 eléctricas de tormentas. En la unidad de recuento 375, las señales digitales Ux 331 y Uy, 331 son sometidas a procesos idénticos de análisis espectral para generar espectros de energía Sx, Sy de señales de observación Ux 231 y Uy, 231 y con curvas de resonancia correspondientes a las mismas con el uso de la transformada de Fourier en los bloques DFTx 371 y DFTy 372. Debido a la naturaleza de resonancia de la propagación de señales de observación de ELF en la cavidad Tierra-ionosfera, los espectros son en forma de una serie de picos o picos de resonancia 411,

15 412, y 413 conectados con máximos de propagación consecutivos tal como se presenta en la Tabla 1 y de manera gráfica en la figura 4.

Tabla 1

Mod

Mod

Mod

Mod

Mod

Número

Frecuencia Energía Excentricidad Anchura

k

f p e l

1

f1 P1 e1 Y1

2

f2 P2 e2 Y2

3

f3 P3 e3 Y3

4

f4 P4 e4 Y4

…

…

…

…

…

a

b

a

20 En la siguiente etapa al hacer corresponder los bloques Dx 381 y Dy 382 las curvas de resonancia expresadas con la siguiente fórmula se hacen corresponder a cada uno de los espectros de potencia Sx y Sy:

25 donde:

S (o) - espectro de energía correspondido b - parámetro que describe ruidos cromáticos de fondo a - parámetro que describe ruidos de fondo de banda ancha

30 a - índice espectral de ruido cromático; o - ritmo (pulsación); pk - valor de potencia máxima del pico de resonancia k-ésimo; ek - parámetro de asimetría del pico de resonancia k-ésimo; ok - tasa de resonancia del pico de resonancia k-ésimo que es igual a 2 nfk;

35 l k - media anchura del pico de resonancia k-ésimo.

La fórmula anterior se adoptó del documento titulado “Studies of ELF propagation in the spherical shell cavity using a field decomposition method based on asymmetry of Schumann resonance curves”, Journal of Geophysical Research, vol. 111, A10304, doi: 10.1029/2005JA011429, 2006, tras completarlo con un parámetro que describe ruidos

40 cromáticos de fondo, un parámetro que describe ruidos de fondo de banda ancha, y un índice espectral de ruido cromático. Fue preferible añadir el parámetro a que describe ruidos cromáticos de fondo, el parámetro b que describe ruidos de fondo de banda ancha y el índice espectral de ruido cromático a, ya que, tal como se observó, se mejoraba la calidad de las curvas de correspondencia para el fondo observado y aumentaba la precisión de la determinación de parámetros espectrales necesarios para la creación de mapas. Cabe destacar que los parámetros

45 a y b, así como el índice a se determinan pero no se utilizan para la creación de mapas.

Como resultado de la utilización del procedimiento de correspondencia se genera una parametrización de espectro que tiene lugar en unos bloques de parametrización Paramx 391 y Paramy 392. Para cada espectro Sx y Sy se atribuyen cuatro parámetros de observación actuales pk, fk, Yk y ek para cada modo k-ésimo para el cual se realiza la parametrización. En la siguiente etapa se comparan estos cuatro parámetros de observación pk, fk, Yk y ek de cada una de las señales de Ux y Uy en un comparador 396 con conjuntos de parámetros de base pok, fok, Yok y eok almacenados en la base de datos de parámetros modelo B 390 creada en base al conocimiento de la propagación de ondas de ELF dentro de la cavidad Tierra-ionosfera. La tarea del comparador 396 es seleccionar un conjunto de parámetros de base pok, fok, Yok y eok de valores más próximos al conjunto de parámetros de observación pk, fk, Yk y ek. A tal efecto se emplea uno de los procedimientos de minimización de la desviación de los parámetros pk, fk, Yk y ek a partir de los pok, fok, Yok y eok. La 390 se crea en base a conocimientos de la propagación de ondas de ELF dentro de la cavidad Tierra-ionosfera en base a observaciones a largo plazo. Dado que para cada distancia entre el observador y la fuente, y para cada intensidad de descarga, hay un conjunto de parámetros específicos, la asignación del conjunto de parámetros de observación pk, fk, Yk y ek al parámetro de base pok, fok, Yok y eok permite la reconstrucción de la ubicación de la fuente y su intensidad. En otras palabras, los parámetros de observación pk, fk, Yk y ek se comparan con el conjunto de parámetros de base pok, fok, Yok y eok que son parámetros de la base de parámetros modelo B. El conjunto de parámetros de base pok, fok, Yok y eok, después de haberse seleccionado como la mejor aproximación del conjunto de parámetros de observación pk, fk, Yk y ek, reconstruye la ubicación y la intensidad de las descargas eléctricas o fuentes de descarga y/o o centros de tormenta. La unidad electrónica de procesamiento en el ejemplo preferido se ha programado de acuerdo con el algoritmo de análisis espectral de la señal de ELF y el algoritmo de determinación de las características dependiente de la distancia y la actividad de la descarga de la tormenta con el uso de la transformada de Fourier, tal como es bien conocido de muchos documentos sobre análisis espectral.

En la siguiente etapa se desarrolla un mapa de fuentes M(x, y) o, en otras palabras, en el bloque de generación 395 un mapa de fuentes M(x, y) de distribución e intensidad de centros de tormenta en la superficie de la Tierra. La resolución del mapa obtenido depende directamente del número de parámetros de distribución del espectro obtenidos en la etapa de descomposición de la señal y el nivel de ruido que se produce durante la medición. Las ambigüedades del mapa dependerán de la forma de los grupos de base de la distribución de campo, es decir, son una derivada del modelo de propagación supuesto.

El conjunto de parámetros de observación pk, fk, Yk y ek que han sido confirmados por otras fuentes y/o con otros procedimientos de control de la actividad de las tormentas en la superficie de la Tierra pueden añadirse a la base de datos modelo B 390 y de esta manera constituyen un complemento para el conjunto de parámetros de base pok, fok, Yok y eok para reconstrucciones consecutivas de la ubicación y la intensidad de las fuentes de descarga o centros de tormenta.

En el caso en el cual se aplican muchos aparatos de recepción, lo cual aumenta significativamente la capacidad de resolución de la ubicación del centro de la tormenta y la intensidad en el mapa de la superficie terrestre, los datos pueden enviarse por satélite o por Internet a un centro de recogida de datos, donde son sometidos a análisis en la unidad de recuento.

La solución de acuerdo con esta invención se presentó con ejemplos seleccionados. Sin embargo, estos ejemplos no limitan la invención. Es evidente que pueden introducirse modificaciones sin variar la naturaleza esencial de la solución. Los ejemplos presentados no son las únicas posibilidades de aplicación de la solución de acuerdo con la invención tal como se define en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (7)

1. REIVINDICACIONES

   1. Procedimiento para controlar la actividad de las tormentas en la superficie de la Tierra en tiempo real con un análisis de señales electromagnéticas inducidas por descargas eléctricas en la atmósfera en células de tormenta, en el cual:

   -

   se registran señales de campo electromagnético ELF generadas en un resonador Tierra-ionosfera (211),

   -

   se someten dichas señales registradas a un análisis espectral (212) con la generación de sus espectros de energía (Sx, Sy),

   caracterizado por el hecho de que el procedimiento comprende, además, las etapas de:

   -

   corresponder los espectros de energía (Sx, Sy) con curvas de resonancia para parametrizar los espectros de energía (213) mediante un conjunto de parámetros de observación (pk, fk, Yk y ek) en base a modelos de propagación de resonancia de campo de ELF en el resonador Tierra-ionosfera,

   -

   comparar los parámetros de observación (pk, fk, Yk y ek) dependientes de la distancia y la intensidad de las descargas eléctricas con parámetros de base (pok, fok, Yok y eok) contenidos en una base de datos de parámetros modelo (214),

   -

   en el que los parámetros de base seleccionados como la mejor aproximación a los parámetros de observación (pk, fk, Yk y ek) dependientes de la distancia y la intensidad de las descargas eléctricas se utilizan para desarrollar un mapa (M(x, y)) de posición e intensidad de las descargas eléctricas (216).

2. 2.

   Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que las señales de campo eléctrico de ELF inducidas por las descargas eléctricas se registran en una zona de la Tierra que no tiene fuentes de campos eléctricos locales, mediante dos antenas de inducción magnética activas (Hx, Hy), dispuestas horizontales y preferiblemente perpendiculares entre sí, y situadas sobre la superficie de la Tierra, o cerca bajo la superficie del suelo a lo largo de direcciones NS y EO y, a continuación, estas señales que han sido amplificadas, filtradas y procesadas a una frecuencia de muestreo de 180 Hz en señales de observación digitales (Ux, Uy) son transmitidas por radio a una unidad electrónica de procesamiento de datos como señales de campo electromagnético de ELF.

3. 3.

   Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que la base de datos de parámetros modelo se crea con el conocimiento de un modelo de propagación de ondas de ELF en la cavidad Tierra-ionosfera.

4. 4.

   Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que los parámetros de base se seleccionan como la mejor aproximación a los parámetros de observación (pk, fk, Yk y ek) utilizando un procedimiento de minimización respecto a la desviación de los parámetros de observación (pk, fk, Yk y ek) de los parámetros de base (pok, fok, Yok y eok).

5. 5.

   Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por el hecho de que cada uno de los espectros de potencia (Sx, Sy) se hace corresponder con curvas de resonancia expresada por la fórmula:

   donde:

   S (o) - espectro de energía correspondido a - parámetro que describe ruidos cromáticos de fondo b - parámetro que describe ruidos de fondo de banda ancha, a - índice espectral de ruidos cromáticos; w - ritmo (pulsación); Pk - valor de potencia máxima del pico de resonancia k-ésimo; ek - parámetro de asimetría del pico de resonancia k-ésimo; UJk - tasa de resonancia del pico de resonancia k-ésimo que es igual a 2 nfk; Fk - media anchura del pico de resonancia k-ésimo.
6. 6. Aparato para controlar la actividad de las tormentas en la superficie de la Tierra en tiempo real, que comprende

   -

   unas antenas, un bloque que registra señales de observación de ELF, un sistema de radiotransmisión y una unidad el electrónica de procesamiento de datos, en el que las antenas son dos antenas activas de inducción magnética (Hx, Hy), situadas preferiblemente perpendiculares entre sí, preferiblemente a lo largo de la dirección NS y EO, y situadas sobre la superficie, o cerca bajo la superficie del suelo, caracterizado por el hecho de que

   -

   las antenas están conectadas a través de cables protegidos al bloque que registra señales de observación (Hx, Hy), y que contiene dos trayectorias de señales idénticas con amplificadores (Ax, Ay), filtros (BPFx, BPFy), convertidores analógico a digital (A/Cx, A/Cy) y un sistema de control (uP) cuyo reloj está sincronizado, a través del sistema receptor, con tiempo GPS,

   -

   en el que la unidad electrónica de procesamiento de datos está adaptada para procesar

   -

   un algoritmo que aplica un análisis espectral a las señales de observación de ELF para la generación de sus espectros de energía (Sx, Sy) (212)

   -

   un algoritmo para hacer corresponder los espectros de energía (Sx, Sy) con curvas de resonancia para parametrizar los espectros de energía (213) mediante un conjunto de parámetros de observación (pk, fk, Yk y ek), en base a modelos de propagación de resonancia de campo de ELF en el resonador Tierra-ionosfera,

   --

   un algoritmo para comparar los parámetros de observación (pk, fk, Yk y ek) dependientes de la distancia y la intensidad de las descargas eléctricas con parámetros de base (pok, fok, Yok y eok) contenidos en una base de datos de parámetros modelo (214), en el que los parámetros de base seleccionados como la mejor aproximación a los parámetros de observación (pk, fk, Yk y ek) dependientes de la distancia y la intensidad de las descargas eléctricas se utilizan para desarrollar un mapa (M(x, y)) de la posición y la intensidad de las descargas eléctricas (216).

7. 7. Aparato según la reivindicación 6, caracterizado por el hecho de que el bloque que registra señales de observación está conectado a la antena de transmisión que transmite datos procesados en el convertidor analógico a digital, mientras que la unidad de recuento está conectada a la antena de recepción que comunica con la antena de transmisión conectada al bloque que registra señales de observación.

   REFERENCIAS CITADAS EN LA DESCRIPCIÓN

   Esta lista de referencias citadas por el solicitante es únicamente para la comodidad del lector. No forma parte del documento de la patente europea. A pesar del cuidado tenido en la recopilación de las referencias, no se pueden excluir errores u omisiones y la EPO niega toda responsabilidad en este sentido.

   Literatura diferente de patentes citada en la descripción

   · Studies of ELF propagation in the spherical shell cavity using a field decomposition method based on asymmetry of Schumann resonance curves. Journal of Geophysical Research, 2006, vol. 111, A10304

   · A.P. NICKOLAENKO; I.G. KUDINTSEVA. A modi- fied technique to locate the sources of ELF transient events. Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics, 1994, vol. 56 (11), 1493-1498

   · A.V. SHVETS. ELF Tomography of the World Thunderstorm Activity. Telecommunications and Radio Engineering, 2001, vol. 55 (8), 43-51

   · A.V. SHVETS. A technique for reconstruction of global lightning distance profile from background Schumann resonance signal. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 2001, vol. 63, 1061-1074 · Y. ANDO; M. HAYAKAWA; A.V. SHVETS. Finite difference analyses of Schumann resonance and reconstruction of lightning distribution. Radio Science, 2005, vol. 40, 1-14

   · Y. ANDO; M. HAYAKAWA. 2-D Finite Difference Analyses of Schumann Resonance and Identification of Lightning Distribution. IEEJ Trans. FM, 2004, vol. 124 (12), 1225-1231

   · Studies of ELF propagation in the spherical shell cavity using a field decomposition method based on asymmetry of Schumann resonance curves. Journal of Geophysical Research, 2006, vol. 111