[发明专利]用于实时监测地球表面风暴活动的方法和装置

说明书

技术领域

本发明的主题是一种用于实时监测地球表面风暴活动的方法和装置，其用于远程 测量风暴中心活动以及确定它们的位置。风暴活动的监测与航空和海洋运输的安全相 关，并且在天气预报中扮演重要角色。

背景技术

当前，有多种方法来记录发生在雷雨云中、云之间和/或云和地面之间的大气中 的电火花放电。

第一种监测风暴活动的方法是基于光学卫星对闪电的观测，闪电发生在前述的雷 雨云中、云之间和/或云和地面之间。该方法提供由安装在卫星上的测量仪器直接观测 的范围内的详细信息。所观察的区域覆盖ca.10⁵km²，其只构成地球表面的一小部分。 即使是具有卫星广阔扩展的网络的轨道观测系统也不能确保可靠的风暴活动全球监 测系统。

追踪风暴的第二种方法与在大气中电火花放电期间产生的VLF、HF和VHF无 线电频率内的电磁信号的探测有关。这种方法提供放电强度及其位置的评估。然而， 其缺陷是在这些频率内的信号的范围，在HF内被限制到几百公里的距离，而在VLF 内被限制到几千公里的距离。覆盖大范围以提供利用基站的观测需要密集的追踪基站 网络。目前，最多开发的监测系统执行同时寄存在VLF和HF频率内的信号分析。这 只在高度发达的国家中操作，因此其只覆盖地球表面一小部分。

第三种方法是基于只追踪VLF内的信号。单个基站的范围达到一千公里。当前， 全球系统基于27个测量基站。

极低频(ELF)电磁场信号的传播从以“Studies of ELF propagation in the spherical shell cavity using a field decomposition method based on asymmetry of Schumann resonance curves”为论文名发表在Journal of Geophysical Research，Vol.111，A 10304，doi： 10.1029/2005JA011429，2006上的已公开的波兰克拉科夫的雅盖隆大学(Jagiellonian University)的科学家主导的研究成果得知。与该论文提出的论题相适应的，所观测 的ELF谱中的曲线非对称和峰值谐振频率的变化由驻波场的叠加产生，这将与传出 源头的波场一起产生谐振模型。所要解决的问题是是否能够分离谐振器中的两个场分 量(component)并且单独地测量它们。关于这一问题的新的解决方式已经被提出并 且其存在于频谱不对称性的测量或通过利用单个天线的电场或磁场分量的观测所获 得的信号频谱。在这种方法中，假定谐振器的任意点中的信号频谱包括与谐振分量场 相关的对称部分和与传播波场联系的非对称部分。场分量的功率谱α(θ，f)|²已经利用 下述公式确定：

该公式实现了谐振器的任意点到单个前进波源的近似距离θ的确定。

上述大气放电的观测方法，即使假定观测基线相当大的扩展，也不能实现覆盖地 球整个表面的风暴活动的全球监测。同样，上述方法没有一个能够保证大气中的电火 花放电的100％的测量效率。目前估计上述方法的效力介于60％和80％之间，这取决 于所采用的方法以及所使用的信号分析算法。

发明内容

本发明的目的是提供一种横跨整个地球表面的风暴活动的全球监测的方法和装 置。

根据本发明的监测风暴活动的方法是基于风暴单元中的大气的电火花放电诱发 的电磁信号的分析，这类似于上述方法。本发明的想法是记录地球电离层谐振器内诱 发的极低频(ELF)电磁场信号，然后基于涉及地球电离层谐振器中的ELF场的谐振 传播模型进行频谱分析。接着，取决于电火花放电位置和天线之间的距离，即源头距 离，和强度的特征被分开然后与模型数据库中的参数作比较。最接近的基准参数组确 定这些源的位置和强度。分析可以实时处理，并且其结果可以以风暴活动图的形式图 解。

由于ELF场内的波谐振传播的特殊性质，单个装置能够记录来自地球大气中的 电火花放电的信号，并且寄存信号能够实现直到10000km距离的风暴活动图的明确 预备。位于不同大陆的几个装置的使用允许在全球范围以地理坐标的形式轮廓清晰成 像风暴活动。