專利名稱：閃電的探測的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種閃電探測器。本發(fā)明具體涉及一種其中探測器使用至少兩個(gè)獨(dú)立信道用于閃電探測的閃電測器。本發(fā)明還涉及 一種用于探測閃電的方法。
背景技術(shù)：
雷暴是主要的天氣危害，但是很難預(yù)測。雷暴能夠以20km/h至 40km/h的速度傳播，并且雷擊可能在雨云之前大于10km處發(fā)生， 并且可以在雨云之后的相等的一段距離處發(fā)生。雖然雷擊是由云或 天氣前鋒造成的，但是很多最危險(xiǎn)的雷擊實(shí)際上發(fā)生在沒有可見的 云如上所述出現(xiàn)作為雷暴的警告的時(shí)候。因此，可以認(rèn)為以下系統(tǒng) 是主要的安全特性，即該系統(tǒng)僅在有害雷暴變?yōu)榭梢娭按蠹s十分鐘發(fā)出有害雷暴可能性的警告。很多人將從這樣的安全特性中獲益。對于某些人，這種安全特性可能僅提供每天希望知道的知識。然而，對于相當(dāng)數(shù)量的人來說， 源自暴風(fēng)雨以及閃電的威脅嚴(yán)重的牽扯到以下方面增加的風(fēng)險(xiǎn)、 財(cái)產(chǎn)損失乃至是致命的結(jié)果。閃電警報(bào)系統(tǒng)例如對于經(jīng)常在戶外的 人來說尤為重要，并且對于飛行員、航海員等也同樣重要。配備有 閃電警告的系統(tǒng)甚至在天氣似乎非常平靜并且晴天時(shí)也使人能夠及 時(shí)采取適當(dāng)?shù)陌踩胧?，例如尋找掩蔽處等。根?jù)本領(lǐng)域的現(xiàn)狀，已知很多專用閃電探測器，但是它們在商 用方面具有某些缺點(diǎn)。氣象學(xué)中使用的科學(xué)閃電探測器非常大并且 它們的范圍是數(shù)百公里。而且，使用單個(gè)射頻(RF)頻帶的其他高端閃電探測器相比于 例如移動(dòng)電話來說很大并且相對昂貴。而且，它們通常需要具有指定的方位，例如放置在墻上或桌架上，從而獲得所需的準(zhǔn)確度或方 向性。因此，它們不能很好地適合真實(shí)的移動(dòng)使用。這些設(shè)備通常 必須被進(jìn)一步以特定方式放置，并且在對雷暴進(jìn)行可靠探測成為可 能之前保持?jǐn)?shù)分鐘的靜止。另外，存在現(xiàn)有不太貴的低端閃電探測器，其在尺寸方面完全 可攜帶并且不需要指定方位。然而，這些探測器極易受到人造電磁兼容(EMC)發(fā)射的影響，并且因此很可能在市區(qū)環(huán)境中或公路附 近引起偽警報(bào)。目前，大部分在商業(yè)上可獲得的移動(dòng)閃電探測器通過測量由閃 電在甚低頻(VLF:3-30kHz)上引起的電磁發(fā)射來探測雷擊。另夕卜， 數(shù)十年中已經(jīng)了解到可以通過使用傳統(tǒng)的AM廣播無線電接收器"聽 到，，雷擊，該傳統(tǒng)AM廣播無線電接收器工作于長波頻率(150 kHz 至300 kHz)、中波頻率(500 kHz至1700 kHz)和短波頻率(SW: 2 MHz至30MHz )。然而，存在多個(gè)出版物，其中已經(jīng)通過閃電在 3-300MHz之間的HF和VHF頻率以及甚至在更高(UHF)頻率上的 發(fā)射來探測并且測量閃電。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明源自以下考慮，即雷擊是單次閃光，除了生成可視信號 和部分可聽的壓力信號之外，該單次閃光還生成在多種波長上延伸 的強(qiáng)電磁脈沖。由雷擊引起的典型的電磁脈沖覆蓋10Hz和5GHz之 間的頻率，即位于音頻頻率范圍中，該電磁脈沖具有大約500Hz的 峰值。在lOkm的標(biāo)準(zhǔn)化距離上，此類脈沖幅度的范圍在lkHz帶寬 中從107mV/m至1 mV/m。電磁脈沖的最強(qiáng)信號是雷擊中的垂直電 流引起的感生電場，并且這是大型距離-方位設(shè)備中最普通測量的參 數(shù)。然而，由于雷擊現(xiàn)象的復(fù)雜性，在幾百Hz或更小的甚低頻(ELF) 范圍中還存在強(qiáng)信號，并且較弱的信號延伸高達(dá)GHz范圍及以上。 眾所周知的事實(shí)是電磁干擾(EMI)特征信號的準(zhǔn)確特性以及時(shí)間譜在MHz范圍與在kHz和Hz范圍中是不同的，這是因?yàn)槁晕⒉?同的氣象學(xué)原理所致。出于本發(fā)明的目的，足以引起注意的是，在所有感興趣的頻率 上雷擊伴有EMI脈沖，該EMI脈沖可以在數(shù)公里的距離處識別。由于雷擊所生成的EMI脈沖，RF信道僅在附近區(qū)域中雷擊期間 受到干擾。在使用AM/FM收音機(jī)、TV或在靜電、搭接以及電梳形 式的供電線路時(shí)，由于雷擊引起的EMI造成的RF接收器的損壞可 能經(jīng)歷聲音或圖片的噪聲或損耗。可以在非常大的距離處感應(yīng)由雷 擊造成的RF信道中的擾動(dòng)。專用且大型閃電探測器能夠在距離雷擊 數(shù)百公里的距離處探測閃電擾動(dòng)，即所謂的天電探測(sferics),即 使這些探測器通常通過測量感生電場或磁場來操作，而不是如本發(fā) 明那樣測量音頻或RF信號中的干擾。已知普通的AM收音機(jī)在距雷擊高達(dá)30km或30km以上的距離 處受到EMI擾動(dòng)，這甚至可以在音頻信號中直接聽到，類似于各種 ?？ㄠ暋Ｔ诒華M頻帶高的頻率上，信號通常由于大氣衰減和不同 原因的機(jī)制變得非常弱，但是在很大的距離處還是可探測的。雖然在已知的移動(dòng)RF設(shè)備中，諸如在普通移動(dòng)電話中，通過濾 波即時(shí)消除了接收的RF信號中的電磁干擾，但是本發(fā)明提出對受監(jiān) 測RF信道中的此類電磁千擾進(jìn)行估計(jì)。如果探測到的干擾似乎是由 雷擊引起的，則可以向例如移動(dòng)電話的用戶發(fā)出警報(bào)。例如，如果 干擾超過了預(yù)定的閾值或者如果它具有屬于雷擊特性的頻譜，則可 以假設(shè)該干擾是由雷擊引起的。只要打開RF探測就可以打開閃電探因此，本發(fā)明提供可以在例如蜂窩電話之類的移動(dòng)RJF設(shè)備中實(shí) 現(xiàn)的新的安全特征。雖然在很多情況中，對于探測鄰近區(qū)域中的雷擊的愿望還沒能 大到足以證明使用專用閃電探測的成本和困難是合理的，但是很多 人將理解一種低成本傳感系統(tǒng)，其可以與人們已經(jīng)在任何情況'中都使用的設(shè)備，特別是移動(dòng)電話進(jìn)行集成。已知技術(shù)沒有提供在已知的移動(dòng)RF設(shè)備中將此類閃電探測的集成作為新功能。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，例如在移動(dòng)電話中，閃電探測和測距特征將是期望 的特征。移動(dòng)產(chǎn)品中雷擊探測特征的足夠的探測范圍將大約是 20-30km。此探測范圍可能根據(jù)接收器靈敏度以及來自于雷擊的期望 發(fā)射功率而限制在一個(gè)合適的范圍。圖IO以圖表形式示出了已經(jīng)由 雷擊產(chǎn)生的頻率和幅度，如由很多研究者確定的。因此，根據(jù)圖10 的圖可以用作估計(jì)信號強(qiáng)度的導(dǎo)向圖表，可以期望該信號來自于不 同距離上的雷擊。在該圖中，將距離標(biāo)準(zhǔn)化為10km并且將帶寬標(biāo)準(zhǔn) 化為lkHz。根據(jù)該圖，可以探測至少高達(dá)300MHz的雷擊信號。本發(fā)明是基于如下思想的，使用可用于諸如蜂窩電話之類的移 動(dòng)RF設(shè)備中的所有或很多可用RF信道研究了雷暴產(chǎn)生的輸入頻 譜。由于很多無線電接口 (即，在三頻帶接收器中的三個(gè)頻帶中每 個(gè)頻帶中的數(shù)百個(gè)信道、藍(lán)牙接收器頻率、包括導(dǎo)頻音信道的FM 收音機(jī)、Wi-Fi收音機(jī)局域接收器、RFID標(biāo)簽讀取器以及甚至RDS 和/或DARC接收器)，本發(fā)明提供了用于閃電探測的新的且可行的 方法。因此，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，本發(fā)明基于至少兩個(gè)信道的使 用用于閃電探測，其中至少一個(gè)信道是電信信道。因此針對本發(fā)明的第 一方面提出閃電探測器是配備有針對至少 兩個(gè)頻率范圍的無線電接口用于閃電探測的移動(dòng)RF設(shè)備，從而其中至少一個(gè)頻率范圍是正常電信信道。在本發(fā)明的其他有效實(shí)施方式中，認(rèn)為來自于雷擊的發(fā)射是寬 帶突發(fā)，針對電信所保留的若干信道或完全的頻帶至少用于提供接 收最大能量的觸發(fā)模式以及因此而來的增加的靈敏度。根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施方式，至少一個(gè)頻帶是FM廣播頻帶。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式是在閃電探測中使用F M無線電接收器 的合適的部分，并且將專用閃電探測支路添加到該接收器。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn) 一 步包括修改F M接收器以識別并且 測量雷擊的多個(gè)實(shí)施方式。根據(jù)理論，特別選擇FM調(diào)制用于廣播，從而最小化由類似于閃電的大氣擾動(dòng)所引起的靜電和噼啪聲。但是，如果FM解調(diào)制(尤其是在限幅器級)被旁路并且結(jié)果信號是例如 經(jīng)AM解調(diào)制的，則可以對源自雷擊的擾動(dòng)進(jìn)行分析。以及探測閃電的方法的特性特征。本發(fā)明具有以下優(yōu)勢，其可以提供與移動(dòng)電話集成的便攜式閃 電探測器。本發(fā)明的另一個(gè)方面是可以最小化對硬件的改變，因此在可以最小化硬件(HW)改變的方法中限制了成本并且縮短了投放 到市場的時(shí)間。


下面，將參考附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明，附圖中 圖1示出了可操作環(huán)境， 圖2示出了輔助接收頻帶， 圖3示出了單無線電實(shí)現(xiàn)的框圖， 圖4示出了單無線電操作的流程圖， 圖5示出了多無線電實(shí)現(xiàn)的框圖， 圖6示出了多無線電操作的流程圖， 圖7示出了具有閃電探測的接收器的框圖， 圖8示出了具有閃電探測的接收器的可替換框圖， 圖9示出了具有閃電探測的經(jīng)修改的接收器調(diào)制器的另一個(gè)框 圖，以及圖IO是閃電數(shù)據(jù)圖形，以及圖11示出了經(jīng)修改的1/Q解調(diào)器，以及圖12示出了具有開關(guān)的經(jīng)修改的I/Q解調(diào)器。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明的基本原理是在閃電探測中使用電信無線電接收器的合 適部分，并且將專用閃電探測支路添加到該接收器。雷擊發(fā)射可在用于廣播無線電的頻率上探測出的脈沖的突發(fā)。最初，引入FM無線電廣播系統(tǒng)是因?yàn)楝F(xiàn)存的AM無線電系統(tǒng)對于 例如由雷擊產(chǎn)生的干擾太敏感。AM無線電對于雷擊敏感的原因是來 自于雷擊的干擾與調(diào)幅信號的總和。聽到的幅度中的干擾如AM無 線電接收器中的噼啪的靜電噪聲。而且，雷擊所發(fā)射的信號強(qiáng)度在 AM廣播頻率(1 MHz附近)上高于在FM廣播頻率(100 MHz附近) 上。由于在FM系統(tǒng)中，將音頻信號調(diào)制到載波，如頻率或相位改 變，幅度中的干擾不引起接收信號中可聽到的噼啪聲或其他錯(cuò)誤， 因?yàn)橛捎谠摲葲]有承載調(diào)制，所以其可以由在F M鑒頻器或比例 檢波器之前的限幅器來限制。然而，如果雷擊發(fā)生在FM接收器附 近(在幾/〉里內(nèi))，則可以;見測到例如從電池供電的FM接收器聽 到的千擾噪聲和電閃之間的相關(guān)性。但是如果不考慮解調(diào)，則雷擊仍舊發(fā)射出可在用于FM無線電接 收的頻率上探測出的脈沖的突發(fā)，該用于FM無線電接收的頻率在 歐洲是87.5至108 MHz頻帶，在美國是88至108 MHz頻帶，在日 本是76至91 MHz頻帶。由于FM調(diào)制對于雷擊引起的干擾具有強(qiáng) 健性，所以該干擾不能通過使用傳統(tǒng)的FM無線電接收器聽到。閃 電探測特征要求解調(diào)器如AM解調(diào)器那樣工作。如上所述，AM解 調(diào)器對于雷擊引起的干擾敏感得多?？梢耘cFM解調(diào)器/接收器并行 地添加附加的雷擊探測器。修正級在下變頻混頻器之后并且在FM 無線電接收器中的限幅器級之前，在該修正級處應(yīng)該添加閃電探測器HW。如圖2中所示出的，F(xiàn)M立體聲廣播除了包括主要單聲道FM廣 播21之外還包括用于立體聲音頻內(nèi)容的抑制的38 kHz中心頻帶和 30kHz寬子載波23，以及19kHz導(dǎo)頻音子載波22以利于左右立體 聲聲道的重現(xiàn)。為了發(fā)送節(jié)目內(nèi)容和其他數(shù)據(jù)到裝備有顯示器的無線電接收 器，稍后將另一個(gè)57kHz為中心頻率和7kHz寬的RDS (無線電數(shù) 據(jù)系統(tǒng))子載波24添加到大部分FM廣播。以76kHz為中心的新的32 kHz寬的DARC(數(shù)據(jù)無線電信道)子載波25已經(jīng)額外地被ETSI 在1995年標(biāo)準(zhǔn)化為ETS 300751。當(dāng)前，F(xiàn)M信道間隔在歐洲是100kHz并且在美國是200kHz。 RDS信號的接收需要比100 kHz稍微寬的帶寬，但是不清楚帶有RDS 廣播的信道是否在歐洲也具有更寬的信道間隔。將來，所有新的FM 接收器可能能夠接收整個(gè)(大約200kHz寬)頻帶，該頻帶包含RDS 和DARC子載波。可以利用100 MHz附近的載波頻率上(至少在空的FM信道上) 的接收器對雷擊產(chǎn)生的脈沖突發(fā)進(jìn)行探測。如圖2所示，如果接收 信道是大約300 kHz寬，則接收脈沖突發(fā)至少是可行的。更窄的帶 寬可能也是可行的。根據(jù)實(shí)際實(shí)施，如上所述，F(xiàn)M接收器前端的信 道寬大約是100 - 200 kHz。由于來自于雷擊的RF發(fā)射的頻譜在低頻上強(qiáng)度更大，所以FM 頻率的較低端比較高端好。最可行的FM信道在FM頻帶的低端附近， 其是76 MHz (在日本)、87.5 MHz (在歐洲)或88 MHz (在美國)。方式。圖7中示出了一種布置，其中用于閃電探測塊80的信號81或 83在限幅器75之前分支，因?yàn)榇蟛糠珠W電噪聲信息將被限幅器75 中的限幅動(dòng)作損失掉，但是經(jīng)分支的信號81、 82在圖中示出為類似 于現(xiàn)有電路中的典型的差分信號，該經(jīng)分支的信號81、 82不受影響 并且仍舊包含雷擊噪聲的相關(guān)信息?？梢哉J(rèn)為從天線到鑒頻器70、 71、 72、 73、 74、 75和76的FM 接收器路徑類似于Philips銷售的商用IC中的相應(yīng)路徑TEA5767。 實(shí)施方式1在第一實(shí)施方式中，從天線到鑒頻器70、 71、 72、 73、 74、 75 和76的FM接收器路徑具有附加的中間輸出81,該中間輸出81將 介于下變頻混頻器73和限幅器級75之間。電路塊74包含放大和頻 率選擇裝置。包含由來自于雷擊的RF發(fā)射引起的幅度信息的中間信號經(jīng)由81輸入到閃電探測專用塊80。在此可替換的實(shí)施中，探測帶 寬將類似于所選擇的FM信道(100-200 kHz)。 實(shí)施方式2在另一個(gè)可替換的實(shí)施方式中，中間輸出82布置在緊挨低噪前 置放大器72之后。在此可替換的方案中，探測帶寬將是全部FM頻 帶(例如歐洲的87.5 - 108 MHz ),如通過天線70和低噪前置放大 器72之間的FM頻帶濾波器71來傳遞。此可替換實(shí)施方式可以優(yōu) 勢地在用于閃電式信號的觸發(fā)模式中使用。頻帶上接收的功率可以 利用寬帶功率探測器來測量，并且如果快速寬帶信號(類似于雷擊) 存在于信號中，則可以例如在 一 個(gè)F M信道上啟動(dòng)更準(zhǔn)確的探測。一種可能性是具有附加的獨(dú)立的用于閃電探測器的下變頻混頻 器。這表示為圖8的閃電探測塊80中的83并且該布置將允許閃電 探測和在不同或相同的FM頻帶上的FM無線電接收同時(shí)進(jìn)行。然而，此種實(shí)施需要專用于閃電下變頻的附加HW,其中如果信 號82類似于第一實(shí)施方式中在下變頻混頻器73之后分支，則不需 要該附加HW。 實(shí)施方式3閃電4冢測可以優(yōu)勢地發(fā)生在空FM信道中。使用傳統(tǒng)的FM立體 聲接收器路徑可以很容易地找到空FM信道。找到的空信道可以用 于閃電探測。如上所述，空FM信道上的閃電探測將需要FM接收器 中的下混頻器之后的中間輸出。這是因?yàn)镕M經(jīng)調(diào)制的信號在FM鑒 頻器76中的頻率解調(diào)之前被限制為低幅度。該限制抽取由來自于雷 擊的RF發(fā)射引起的信號，并且在限幅器之后不能進(jìn)行閃電探測。另 外，如果在FM信道上不存在FM信號，則FM解調(diào)器的噪聲顯著增 加。僅此噪聲的增加就使閃電探測非常困難，即使它可能來自于經(jīng) 解調(diào)的但是是空的FM信道。對于閃電探測，應(yīng)該使用對幅度改變 敏感的AM探測器來代替FM鑒頻器。在空FM信道上，可以利用整個(gè)信道。如果是基本的FM立體聲 接收器，則Rx信道寬度是載波頻率左右+Z-53 kHz。如果是立體聲FM RDS接收器，則Rx信道寬度是+/-60 kHz,并且如果是兼容DARC 的FM接收器，則該信道寬度是載波中心頻率左右+Z-92kHz。 實(shí)施方式4:當(dāng)FM接收處于活3夭時(shí)的探測對于用戶來說，最佳情況是實(shí)現(xiàn)閃電探測特征，其允許閃電探 測和FM無線電廣播的接收兩者同時(shí)進(jìn)行。但是FM無線電信號是連 續(xù)的，并且因此在傳輸中不存在間隙，所以如果雷擊是弱的(例如， 由于遠(yuǎn)距離雷擊)，則可能很難在其中無線電傳輸是活躍的FM信 道上探測到雷擊，但是此實(shí)施方式仍舊可以用于閃電警報(bào)或觸發(fā)目 的。以下列出用于實(shí)施的 一 些概念a) 可以基于19-kHz子載波附近接收的信號進(jìn)行閃電測試。當(dāng) 前立體聲FM廣播保留了除了窄的19-kHz導(dǎo)頻子載波之外的15-23 kHz空之間的信道。導(dǎo)頻載波附近的這些頻率部分在每個(gè)FM信道上 都是可用的。b) —個(gè)可替換的方案是探測雷擊的同時(shí)在不活躍的RDS或 DARC信道上接收FM立體聲。另外，如果RDS和/或DARC在傳輸 中包含間隙，則該間隙可以用于同時(shí)探測雷擊和接收立體聲FM。c) 可以在接收FM傳輸?shù)耐瑫r(shí)探測干擾。如果例如可探測的干 擾存在于例如19-kHz導(dǎo)頻子載波附近的信道上，則可以激活更準(zhǔn)確 的閃電探測模式。更準(zhǔn)確的探測將在空FM無線電信道上進(jìn)行并且 更準(zhǔn)確的探測還可以包含距離估計(jì)。觸發(fā)模式將僅探測閃電式的干 擾。d) 如果接收帶寬可以布置為寬于FM廣播信道所需的200 kHz 帶寬和100 kHz帶寬，則閃電探測或閃電觸發(fā)可以在FM信道之間執(zhí) 行，因?yàn)閷?shí)際上，極少使用相鄰的信道。實(shí)施方式5: AGC (自動(dòng)增益控制)的使用可行的一個(gè)思想是利用FM接收器的AGC級用于閃電探測。 AGC功能廣泛地在FM接收器中(參見，例如Philips TEA5767 FM 接收器)使用。如果可以使AGC電路中的某些回路對由雷擊產(chǎn)生的信號分量敏感的話，則可以直接從AGC級獲得足夠的中間信號并且 在FM接收器級中不需要其他修改。然而，將AGC電路突發(fā)的時(shí)間 常數(shù)調(diào)節(jié)到足夠短以支持對由雷擊引起的短脈沖的探測。在實(shí)現(xiàn)芯片上AGC級中經(jīng)常需要外部電容，并且因此如果中間 輸出可以連接到這些外部電容，則僅需要對集成電路進(jìn)行小修改。 如果脈沖探測是可行的，則如果不可能進(jìn)行更準(zhǔn)確的探測，該思想 至少可以用于觸發(fā)模式。可以針對距離估計(jì)等實(shí)現(xiàn)另 一個(gè)測量模式。 實(shí)施方式6:多模式探測在最簡單的模式中，探測期間僅使用一個(gè)無線電裝置(即，F(xiàn)M 無線電接收器)。圖3示出了包括單個(gè)無線電裝置31的系統(tǒng)34。處 理器33使用不同的模式以優(yōu)化功耗。例如，在較少功耗模式中，在 功率節(jié)省模式中可能僅打開前端，并且模擬峰值探測用于觸發(fā)更多 如ADC和處理器的功耗部件，如上文實(shí)現(xiàn)示例2中所述的。在全面 操作閃電探測和觸發(fā)模式之間，可以存在監(jiān)測模式，該模式將決定 設(shè)備應(yīng)該切換到閃電測量模式還是回到觸發(fā)模式。用于單個(gè)無線電 裝置實(shí)現(xiàn)的操作的操作圖的示例在圖4中示出。在步驟42中對在步 驟41中的低功率監(jiān)視模式期間所接收到的信號進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，并且 如果探測到閃電活動(dòng)，則在步驟43中選擇更大功耗但更精確的探測 模式，并且如果在步驟44中分析符合用戶警報(bào)的標(biāo)準(zhǔn)，則在步驟45 中進(jìn)行警報(bào)，否則系統(tǒng)返回到步驟41中的低功率監(jiān)測模式。另一種可能性是在圖5示出的系統(tǒng)53中使用兩個(gè)獨(dú)立的無線電 裝置，其使用公用天線或獨(dú)立天線，主要閃電探測無線電裝置51和 另一個(gè)無線電裝置52,該另一個(gè)無線電裝置52使用的功率較少，則 較不準(zhǔn)確。在此情況中，在觸發(fā)模式中使用較少功耗的無線電裝置 52,例如RFID標(biāo)簽讀取器。用于多無線電實(shí)施的操作的操作圖的示 例在圖6中示出。對空信道的低功耗監(jiān)測發(fā)生在步驟61中，其針對 閃電探測優(yōu)勢地使用AM探測。當(dāng)在步驟62中AM探測器探測到閃 電能量時(shí)，在步驟63中處理器52控制其他無線電裝置以分析接收 的信號，并且如果步驟64中的分析符合用戶警報(bào)的標(biāo)準(zhǔn)，則在步驟65中進(jìn)行警報(bào)，否則系統(tǒng)在預(yù)定時(shí)間之后返回到步驟41中使用無線 電裝置51的低功耗監(jiān)測模式。實(shí)施方式7:閃電探測的能量優(yōu)化、多模式多頻帶、觸發(fā)系統(tǒng)移動(dòng)設(shè)備能夠以至少兩個(gè)模式工作，在已知技術(shù)中描述了能夠 進(jìn)行某種水平的閃電探測和測距的每個(gè)模式。這些模式可以以不同 的方式使用同 一 無線電裝置或者針對各種模式使用各自的無線電裝 置。此實(shí)施方式包括圖3、圖5中分別示出的控制器33、 53，該控 制器能夠盡可能地將設(shè)備保持在低能量"觸發(fā)"模式中，僅當(dāng)觸發(fā) 時(shí)啟動(dòng)較高功耗模式。該控制器選擇最佳無線電裝置用于半無源低 能耗"觸發(fā)"模式無線電裝置僅響應(yīng)于可能與閃電相關(guān)的所有EMI 脈沖，但是不進(jìn)行進(jìn)一步的處理。取而代之的是，當(dāng)觸發(fā)時(shí)，無線 電裝置打開可以消耗更多能量的"監(jiān)測"模式。這可以是不同的無 線電裝置，或是操作于不同模式中的同一無線電裝置。監(jiān)測模式更 準(zhǔn)確地評估EMI脈沖。如果它探測到很可能是閃電事件的事件，那 么僅打開"測量，，模式。在此模式中，全部處理功率用于探測、識 別以及評估可能的雷擊以達(dá)到可能的最大準(zhǔn)確度。在優(yōu)選的實(shí)施方 式中，測量模式打開多于一個(gè)的可能的探測信道。注意，該模式結(jié)構(gòu)可以比上述結(jié)構(gòu)更簡單或更復(fù)雜。在最簡單 可行模式中，僅存在觸發(fā)模式(例如RFID)，該觸發(fā)模式直接啟動(dòng) 測量模式。在更復(fù)雜的系統(tǒng)中，可以存在多個(gè)觸發(fā)和監(jiān)測以及測量 模式。可能用在閃電探測中的可行的無線電接收器組合的數(shù)量相對較 大。下面是可行的組合和估計(jì)的簡短列表，其中估計(jì)是通過分別使 用觸發(fā)和探測模式可以節(jié)省多少功率。使用音頻+AM/FM大部分當(dāng)前商用的閃電探測器工作于相對低的頻率上，即在從 數(shù)百Hz至10-100 kHz的音頻頻率上。某些商用或研究探測器還工 作于AM或FM頻率上。以下內(nèi)容似乎很有可能良好且功耗有效 閃電探測器的實(shí)現(xiàn)將同時(shí)利用音頻上和AM/FM頻率上的接收器，特別是在其中總是存在AM和/或FM接收器的設(shè)備中。對于多頻帶(彼 此相距足夠遠(yuǎn))的探測給出了關(guān)于雷擊距離的更好的估計(jì)。另一方 面，如果若干接收器同時(shí)是活躍的，則功耗必然較高。因此，將觸 發(fā)和測量模式分開是有優(yōu)勢的。根據(jù)不同接收器以及部分的當(dāng)前消 耗和靈敏度，觸發(fā)接收器可以是音頻、AM或FM接收器。例如，在 音頻頻率路徑上實(shí)現(xiàn)的峰值探測器可以是觸發(fā)器，其激活對于若干 頻率的更準(zhǔn)確的探測。 使用RFID:如上所述，經(jīng)修改的RFID讀取器可以用作觸發(fā)設(shè)備以開始更準(zhǔn) 確的閃電探測模式。可以例如通過添加頻率選擇(5-10kHz)峰值探 測器來修改RFID讀取器前端。如果在觸發(fā)模式中超過了某個(gè)預(yù)定義 的峰值水平，則將開始測量模式。該測量模式可以包括例如使用基 于音頻和/或AM/FM的纟笨測和測距?；谔綔y頻率100MHz及其以上頻率的探測根據(jù)閃電相關(guān)文獻(xiàn)，取決于閃電的相位和類型，在相對高的頻 率上存在電磁發(fā)射。例如，云間閃電在GHz頻率上發(fā)射信號。而且， 云對地閃電的步進(jìn)導(dǎo)流相發(fā)射高頻率。因此，在較高頻率上發(fā)射的 探測可以是增加的閃電概率的指示器，該指示器可以觸發(fā)測量模式。 然而，如從圖9中所示的圖形中可以看到的，在GHz頻率上發(fā)射的 能量相對較低并且因此觸發(fā)接收器的靈敏度應(yīng)該較高。人造EMC消除而且，所謂的人造噪聲消除可以以軟件功能實(shí)現(xiàn)，該軟件功能 能夠在接收的信號中找到固定的間隔峰值并且將其濾除。這可以例 如通過保持探測的間隔的記錄并且分析某些指定間隔是否恒定地出 現(xiàn)或是否恒定地覆蓋特定時(shí)間周期來實(shí)施。在人造噪聲期間，可以 關(guān)閉閃電探測。使用其他輔助接收器雖然上面的描述主要涉及閃電探測中FM無線電的使用，但是可 以使用其他頻率范圍，即三頻帶接收器中三個(gè)頻帶的每一個(gè)頻帶中的數(shù)百個(gè)信道、藍(lán)牙接收器頻率、包括導(dǎo)頻音信道的FM無線電、 Wi-Fi無線電局域接收器、RFID標(biāo)簽讀取器以及甚至RDS接收器。 非對稱地使用I/O支路在接收期間，通常在具有同相支路和正交支路的解調(diào)器中對信 號進(jìn)行解碼。將這些支路布置得盡可能地如傳統(tǒng)接收器中那樣對稱， 從而最小化在取消本地振蕩器信號中的錯(cuò)誤。例如，頻率和增益通 常對于兩個(gè)支路來說是相同的。然而，在雷擊閃電的電磁特征信號 中，不存在相位信息，因此可以僅基于信號幅度以及包線形狀進(jìn)行 閃電探測。因此，可以分開地使用該接收器的I和Q支路，即可以 修改該接收器使得閃電探測器利用探測該信號不同特性的兩個(gè)信 道。在I/0支路中使用不同LO頻率可以在將要用于在不同頻率上探測雷擊的一個(gè)模式中布置典型 的雙支路I/Q解調(diào)器，而同時(shí)在另 一個(gè)正常模式中傳統(tǒng)地執(zhí)行功能， 特別是如果該布置不影響此正常使用中的精確的支路平衡。例如， 并且如圖IO所示，可以使用數(shù)字裝置，例如使用調(diào)節(jié)本地振蕩器信 號的可編程計(jì)數(shù)器101來改變一個(gè)支路的本地振蕩器頻率。以此方 式使用I / Q解調(diào)器的相位支路和正交支路等價(jià)于使兩個(gè)不同的無線 電接收器工作于不同頻率上，并且以非常節(jié)省成本的方式來實(shí)現(xiàn)簡 單的多個(gè)接收器。在1/0支路中使用不同增益可以在一個(gè)用每個(gè)支路上的不同增益工作的模式中進(jìn)一步布置 典型的雙支路I/Q解調(diào)器，而同時(shí)在另一個(gè)模式中，該解調(diào)器正常地 工作以便廣播接收。這在圖11中示出，其中控制裝置111和112調(diào) 節(jié)同相支路和正交支路中的增益。因?yàn)槔讚粜盘柕姆蕊@示出巨大 的變化，所以這是實(shí)現(xiàn)雷擊的遠(yuǎn)和近探測的非常有效的方式，并且 此方法還可以有優(yōu)勢地用于前述監(jiān)視模式中的觸發(fā)。在基帶模式中使用一個(gè)支路圖12示出了在基帶模式中沒有任何頻率轉(zhuǎn)換的情況下可以如何使用一個(gè)支路并且非常有效地接收雷擊，根據(jù)圖9所示的圖形，其具有非常豐富的低頻能量，尤其是在低頻率91。合適的較長的導(dǎo)線 天線121，例如手機(jī)導(dǎo)線天線可以優(yōu)勢地用于此方式中。如果開關(guān) 124布置用于來自于前端122或直接來自于天線的信號，并且通過該 開關(guān)124將該信號切換到放大以及濾波路徑以被圖12中的模數(shù)轉(zhuǎn)換濾波以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換126裝置。當(dāng)出于此目的使用放大和濾波路徑時(shí)， 可以使用控制器125選擇合適的增益。對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見的是，本發(fā)明的不同實(shí)施方式 不限于以上描述的示例，而是這些實(shí)施方式可以在所包含的權(quán)項(xiàng)的 范圍內(nèi)改變。
權(quán)利要求
1.一種閃電探測器，其中所述探測器使用至少兩個(gè)獨(dú)立的信道或頻帶用于閃電探測，所述閃電探測器其特征在于所述閃電探測器是配備有無線電接口的移動(dòng)RF設(shè)備，用于至少兩個(gè)通信信道或頻帶，從而所述至少兩個(gè)通信信道或頻帶中的至少一個(gè)通信信道或頻帶是正常的電信信道/頻率范圍，并且其中在閃電探測中使用這些信道/范圍。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動(dòng)閃電探測器，其特征在于來自于 雷擊的發(fā)射是寬帶突發(fā)，為電信保留的若干信道或全部頻帶至少用 于提供觸發(fā)模式。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動(dòng)閃電探測器，其特征在于至少一 個(gè)所述信道是FM頻率信道。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動(dòng)閃電探測器，其特征在于特別是 在限幅器級，對FM解調(diào)器進(jìn)行旁路并且對結(jié)果信號進(jìn)行解調(diào)，從 而可以對源自雷擊的擾動(dòng)進(jìn)行分析。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的移動(dòng)閃電探測器，其特征在于所述結(jié) 果信號是AM解調(diào)的。
6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的移動(dòng)閃電探測器，其特征在于將附加 的雷擊探測器與所述FM解調(diào)器/接收器并行布置。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的移動(dòng)閃電探測器，其特征在于在下變 頻混頻器之后并且在FM無線電接收器中的限幅器級之前添加所述 閃電探測器HW。
8. 根據(jù)權(quán)利秀求3所述的移動(dòng)閃電探測器，其特征在于空FM 信道用于閃電探測，從而所述探測器在所述FM接收器中的下混頻 器之后具有中間輸出。
9. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的移動(dòng)閃電探測器，其特征在于為了實(shí)現(xiàn)閃電探測特征，同時(shí)使用閃電探測和FM無線電信號的接收。
10. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的移動(dòng)閃電探測器，其特征在于在閃電 探測中使用FM接收器的AGC級。
11. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的移動(dòng)閃電探測器，其特征在于在所述 探測期間僅使用一個(gè)無線電裝置(即，F(xiàn)M無線電接收器)。
12. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的移動(dòng)閃電探測器，其特征在于使用兩 個(gè)獨(dú)立無線電裝置，主要閃電探測無線電裝置和另一無線電裝置， 該另一無線電裝置使用較小的功率，但較不準(zhǔn)確。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的移動(dòng)閃電探測器，其特征在于在觸 發(fā)模式中使用較小功耗的無線電裝置，例如RFID標(biāo)簽。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動(dòng)閃電探測器，其特征在于I/Q解 調(diào)器可以用于探測雷擊，而同時(shí)所述I/Q解調(diào)器還在另 一模式中正常 工作。
15. —種閃電^:測方法，其中所述探測使用至少兩個(gè)獨(dú)立信道或 頻率范圍用于閃電探測，其特征在于所述閃電探測器是配備有無線電接口的移動(dòng)RF設(shè)備，用于至少 兩個(gè)通信信道或頻率范圍，從而所述至少兩個(gè)通信信道或頻率范圍中的至少 一個(gè)通信信道 或頻率范圍是正常的電信信道/頻率范圍，并且其中在閃電探測中使 用這些信道/范圍。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于來自于雷擊的發(fā) 射是寬帶突發(fā)，為電信所保留的若干信道或全部頻帶至少用于提供 觸發(fā)模式。
17. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于至少所述頻帶所 述信道中之一是FM頻率信道。
18. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于特別是在限幅器 級，對FM解調(diào)器進(jìn)行旁路并且對所述結(jié)果信號進(jìn)行解調(diào)，從而可 以對源自雷擊的擾動(dòng)進(jìn)行分析。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于所述結(jié)果信號是 AM解調(diào)的。
20. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于將附加的雷擊探 測器與所述FM解調(diào)器/接收器并行布置。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于在下變頻混頻器 之后并且在FM無線電接收器中的限幅器級之前添加所述閃電探測 器HW。
22. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于空FM信道用于 閃電探測，從而所述探測器在所述FM接收器中的下混頻器之后具 有中間輸出。
23. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于為了實(shí)現(xiàn)閃電探 測特征，同時(shí)使用閃電探測和FM無線電信號的接收。
24. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于在閃電探測中使 用FM接收器的AGC級。
25. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于在所述探測期間 僅使用一個(gè)無線電裝置(即，F(xiàn)M無線電接收器)。
26. 根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于使用兩個(gè)獨(dú)立射 頻，所述主要閃電探測無線電裝置和另一無線電裝置，該另一無線 電裝置使用較小的功率，但較不不準(zhǔn)確。
27. 根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，其特征在于在觸發(fā)模式中使 用較小功耗的無線電裝置，例如RFID標(biāo)簽。
28. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于1/Q解調(diào)器可以 用于探測雷擊，而同時(shí)所述I/Q解調(diào)器還在另 一模式中正常工作。
29. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于可以將人造噪聲 消除實(shí)施為軟件功能，所述軟件功能能夠在接收的信號中找到固定 的間隔峰值并且將其濾除。
30. 根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其特征在于在所述人造噪聲 期間，可以關(guān)閉所述閃電纟笨測。
31. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其特征在于對探測模式以及信道進(jìn)行選擇以優(yōu)化設(shè)備功率使用。
32. 根據(jù)權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于所述設(shè)備是移動(dòng) RF設(shè)備，并且所述選擇也可以必須考慮哪些信道是可用的；如果給 定的無線電裝置處于使用中，則需要切換到另一個(gè)可用無線電裝置。
33. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的閃電探測器，其特征在于所述接收器 的I/Q下混頻器布置用于使用具有不同本地振蕩器頻率的同相支路 和正交支路。
34. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的閃電探測方法，其特征在于所述接收 器的I/Q下混頻器布置用于使用具有不同本地振蕩器頻率的同相支 路和正交支路。
35. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的閃電探測器，其特征在于所述接收器 的I/Q下混頻器布置用于使用具有不同支路增益的同相支路和正交 支路。
36. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的閃電探測方法，其特征在于所述接收 器的I/Q下混頻器布置用于使用具有不同支路增益的同相支路和正 交支路。
全文摘要
一種用于閃電探測的閃電探測器和一種閃電探測方法，其中閃電探測器使用至少兩個(gè)獨(dú)立的信道或頻帶用于閃電探測，并且其中閃電探測器是配備有無線電接口的移動(dòng)RF設(shè)備，該無線電接口用于至少兩個(gè)通信信道或頻帶，從而其中至少一個(gè)通信信道或頻帶是正常的電信信道/頻率范圍并且其中在閃電探測中使用這些信道/范圍。
文檔編號G01W1/16GK101287992SQ200580051815
公開日2008年10月15日 申請日期2005年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月14日
發(fā)明者A·宇西塔洛, J·勒宇納瑪基, J·讓蒂南, J·馬克拉, K·卡爾利奧雅爾維, T·凱屈朗塔, T·阿奧拉 申請人:諾基亞公司