Анализатор молний или грозопеленгатор – это комплекс приборов, применяющийся в профессиональной метеорологии для наблюдения за движением и активностью грозового фронта.
В данной информационной статье мы рассмотрим особенности таких приборов, их конструкцию и принцип работы.
Если вам необходимо купить анализатор молний и подобрать комплект опций – отправьте запрос на нашу электронную почту. В наличии на нашем складе грозопеленгаторы линейки ТМГ (такие как портативный детектор грозы ТМГ-6134-М), отвечающие современным требованиям и опционально доступные для портативного использования.
Наши специалисты дадут обратную связь в самое ближайшее время и проконсультируют по любым вопросам.
Принцип работы анализатора молний
Молния – достаточно опасное явление, и без надлежащих систем раннего предупреждения она может нанести серьезный материальный ущерб. Для таких отраслей, как авиация, строительство, энергетика и профессиональная метеорология, мониторинг и обнаружение ударов молнии жизненно важны для защиты как оборудования, так и персонала.
Анализатор молний позволяет организациям незамедлительно принимать меры, такие как временная приостановка работы, до того момента, как гроза достигнет их территории. Информация, предоставляемая этими детекторами в реальном времени содержит важные данные как о разрядах молний между облаками и землей, так и о разрядах внутри самих облаков, предоставляя предприятиям возможность принять меры до того, как потенциальный удар молнии достигнет их района.
В чем заключается техническая сторона грозопеленгации?
Молния во время разряда излучает в радиочастотном диапазоне, что позволяет засечь ее. Во время грозы между землей и облачным покровом в ионизированных каналах воздуха возникают сильные электрические токи. При этом наиболее сильное излучение находится в пределах нижнего диапазона частот 3 кГц – 30 кГц.
Мониторинг именно низких частот имеет свои преимущества. В отличие от более высоких частот низкие имеют свойство распространяться на тысячи миль благодаря отражениям от ионосферы и земного рельефа.
Если говорить о этом в общих чертах, то молния вызывает несколько коротких импульсов, которые проходят между землей и облаками (или же только внутри облачного покрова, если разряд не идет к земле). При этом создаются сильные электрическое и магнитное поля. По законам физики они перпендикулярны друг другу.
Волны, находящиеся в данном диапазоне частот имеют фактическую длину от 10 до 100 километров. Для того, чтобы их засечь подходит весьма компактная антенна петлевого типа габаритами менее 1/10000 длины волны по окружности. Поскольку такие антенны очень чувствительны к магнитным силам и при наличии хорошего экранирования менее восприимчивы к шумам от близкорасположенных электрических полей, их могут называть магнитными петлями.
Важным моментом является то, что малые по сравнению с длиной приходящей волны пели антенн работают так, что ток вокруг них почти полностью находится в фазе. Таким образом происходит компенсация тех волн, которые приходят в плоскости антенны. Те волны, которые идут перпендикулярно антенне, будут воздействовать сильнее прочих. Если петля антенны будет больше, это свойство изменится.
Когда электрический разряд молнии проходит между облаком и землей, радиоволны в основном будут идти вертикально, а магнитное поле будет распложено в горизонтальной плоскости. По этой причине для полного охвата на 360 градусов стоит использовать не одну, а как минимум несколько петель. Анализатор молний, работающий в системе пеленгации, часто включает в себя пару ортогональных перекрещенных петель в составе антенны.
Стоит также учитывать, что молния во время разряда не генерирует электромагнитный сигнал какой-то строго определенной частоты. Он может иметь более или менее импульсную форму, а волны могут работать в достаточно широком частотном диапазоне.
Поскольку сигналы достаточно разнообразны по своей форме, для получения качественных данных о грозовом фронте должна иметься широкополосная система приема сигнала, а петли должны иметь более одной обмотки.
Однако у самой петли неизбежная резонансная частота должна быть наиболее высокой, чтобы ее можно было легко отсечь при помощи фильтров. На картинке показан принятый парой антенн сигнал. Ненастроенные петлевые антенны при этом имеют равные размеры и у них отсутствует настроечный конденсатор.
На изображении слева показан сигнал, принятый двумя одинаковыми по размеру ненастроенными петлевыми антеннами. У их петель нет дополнительного настроечного конденсатора. Их резонансная частота примерно равна 1000 кГц. К ней применяется усилитель для уменьшения частоты на -72 дБ. В правой части рисунка петля B работает вместе с настроечным конденсатором емкостью 1 мкФ и ее частота приблизительно находится в районе 10 кГц. У молний большая часть энергии обычно содержится именно в этой области частот, и антенна начинает выдавать данные, непригодны для анализа.
Таким образом становится понятно, насколько важно использовать чистые петли без настроечных конденсаторов.
Из каких частей состоит анализатор молний?
Анализатор молний – это не один прибор, а комплект устройств, который можно адаптировать под конкретные задачи. Такой комплект работает как сложный радиоприемник, настроенный на электромагнитный «треск» молний.
Антенный модуль позволяет засекать молнии и обычно использует два типа антенн. Магнитные антенны, представляющие собой две ортогональные рамки, позволяют сравнивать уровень сигнала в каждой из них. Таким образом прибор вычисляет азимут — направление, с которого пришел сигнал.
Штыревая антенна измеряет скачки напряжения электрического поля. Она помогает отличить разряд «облако-земля» от разряда внутри облака.
Полосовые фильтры отсекают лишние помехи (радиостанции, работу электросетей, индустриальный шум), оставляя только диапазон сверхдлинных и длинных волн (VLF/LF). АЦП (т.е. аналого-цифровой преобразователь) превращает пойманный аналоговый сигнал в цифровой код для дальнейших расчетов.
Вычислительный блок включает в себя процессор, схемотехнику и встроенное программное обеспечение для предварительной обработки и экспорта полученных данных на компьютер.
На последний устанавливается специализированное программное обеспечение с подробной визуализацией, графиками и картой местности, на которой отображаются грозовые разряды.
Современные системы также включают GPS-приемник для сверхточной синхронизации времени между разными станциями сети. Чтобы объединить данные от нескольких станций (часто находящихся в сотнях километров друг от друга), их внутренние часы должны быть синхронизированы при помощи спутниковой связи. Это позволяет использовать разностно-дальномерный метод (определение места по задержке прихода сигнала на разные датчики).
Методы грозопеленгации
Одним из наиболее распространенных методов раньше был метод определения направления магнитного поля.
Для него требуется по меньшей мере два датчика. С помощью грозопеленгатора определяется азимут между точкой удара молнии и местом расположения антенны. По этому азимуту можно провести прямую линию. Если таких линий будет несколько (для чего и нужно большое число приборов), можно будет определить точное место грозового разряда.
Общую схему работы данного метода можно посмотреть на рисунке.
У данного метода есть и слабости. Например, молния может ударить прямо вдоль одной из линий и для определения ее направления потребуется больше приборов. Если масштабировать эту ситуацию, сеть наблюдений придется делать очень большой.
Разностно-дальномерная методика (она же метод регистрации времени прихода сигнала) требует минимум трех приборов и синхронизации со спутниковыми системами GNSS. С помощью спутников возможно определить точное местоположение прибора и время по UTC.
Суть метода в том, что всегда можно точно вычислить разницу во времени приема сигнала между несколькими приборами. Три прибора создают треугольник, выдавая каждый свою гиперболу, которая из которых представляет возможные места удара молнии. Если разряд был внутри такого треугольника, его можно достаточно легко засечь. Если же он был за пределами такой «ячейки». будет всего две рабочих гиперболы, что снова создает определенные требования к масштабированию системы.
Современные системы как правило используют комбинированный метод, определяя как азимут, так и гиперболы. Это снижает требования к количеству приборов в сети наблюдения.
Купить анализатор молний
Вам нужно купить анализатор молний? Хотите проконсультироваться со специалистом и подобрать нужную комплектацию? Требуется разработка решения?
Позвоните нам или отправьте запрос на нашу электронную почту.
Опции поставщика включают: постоплату по условиям тендера, подбор дополнительных опций и комплектующих, обучение использованию поставляемого оборудования, ремонт и техническое обслуживание.
Мы поставляем оборудование в любой регион России.