Annons

Enchipslösning mäter avståndet till åskväder

Blixtnedslag är en ganska vanlig dödsorsak, men många olyckor kan undvikas med effektivare mätmetoder. Ruggero Leoncavallo, systemtekniker hos ams, beskriver här hur man kan använda en enchipslösning med ett enkelt RF-smalbandssystem som bas för mätningarna. USA har sedan länge tagit fram detaljerade rapporter över väder och olyckor, och dessa rapporter ger en långsiktig bild av faran för människoliv i samband med blixtnedslag. Sedan 1940 har ungefär 30 procent fler personer dödats av blixten än av orkaner (enligt USAs vädertjänst NOAA/National Oceanic and Atmospheric Administration).
Dagens noggranna väderprognoser hjälper människor att vidta förebyggande åtgärder när det finns risk för åskväder, och antalet dödsfall är nu i genomsnitt lägre än 50 per år i USA. Men varje dödsfall är ett dödsfall för mycket och dessutom tillkommer personskador och egendomsskador som orsakas av blixtnedslag (detaljerade uppgifter finns på www.struckbylightning.org) – allt detta utgör en betydande belastning på de som har oturen att bo i ett område där våldsamma åskväder är vanliga. Kinesiska forskare har dessutom varnat för att global uppvärmning troligen kommer att förstärka extrema vädermönster, och kraftiga åskväder på senare år kan vara en förvarning om detta (China Meteorological Administration, 30 juli, 2007).

30/30-regeln
Det finns dock möjligheter att i stor utsträckning undvika dödsfall och skador som orsakas av blixtnedslag, förutsatt att det finns tillräckliga möjligheter att varna för annalkande åskväder. Den s k 30/30-regeln säger att om tiden mellan blixt och åskmuller är kortare än 30 sekunder bör man gå under tak i minst 30 minuter. Om du hör åskmuller är du troligen redan i riskområdet.


Fig 1. Jämförelse av bredbands- och smalbandssignaler från samma blixt.

Människans sinnen är inte väl utrustade för att uppfatta annalkande åskväder. En fördröjning på 30 sekunder mellan blixt och åskmuller motsvarar en sträcka på cirka 10 km från nedslagsplatsen (eftersom ljudets hastighet i luft är cirka 300 m/s). På längre avstånd är det ovanligt att människan kan uppfatta åska, även i en tyst omgivning utan fysiska hinder som dämpar ljudet. Om det finns fysiska hinder och/eller kraftiga omgivande ljud (till exempel trafik eller folksamlingar) kan den här sträckan reduceras till bara några kilometer.
Något som förstärker problemet är att blixtnedslag oftast inte sker lodrätt utan diagonalt, över en vågrät sträcka som kan vara upp till 10 km lång. Detta är den största begränsningen i 30/30-regeln. Eftersom människor bara kan höra åska på högst 10 km avstånd är det tydligt att det utgör en klar risk för både liv och egendom att bara förlita sig på de mänskliga sinnena utan hjälpmedel.

EMP i blixtar
Redan på 1800-talet insåg Alexander Stepanovic Popov att det var möjligt att avkänna blixtar med en enkel AM-radiomottagare – detta var det första elektriska systemet som klarade av att förutse åska.
Blixtar avger elektromagnetisk energi från mycket låga frekvenser och ända upp till röntgenbanden. Intensiteten i EMP-fenomenet visar ett 1/f-beteende: emissionen är starkast vid låga kHz-frekvenser och försvagas när frekvensen stiger. Popov använde ett enkelt system med en förstärkare, nedmixer och lågpassfilter, och med denna utrustning kunde han höra signalen som genererades av blixten.
Liknande teknik används idag i personliga åskvarnare (eller blixträknare) som säljs till konsumenter. Även om American Meteorological Society inte öppet erkänner tillförlitligheten eller värdet hos dessa portabla enheter så kan åskräknare, under rätt förhållanden, avkänna blixtar inom ett mindre område. Men dessa enkla enheter har begränsad nytta, eftersom de inte kan uppskatta sträckan från åskvädrets centrum, och de kan inte heller skilja på blixtar från störningskällor som t ex mikrovågsugnar, fluorescerande ballaster, (el-)motorer, bilmotorer eller kamerablixtar. Eftersom dessa system bygger på diskret teknik är de heller inte optimerade vad gäller strömförbrukning och batteriets livslängd är begränsad till ett par veckor.


Fig 2. Blockschema över åskvarnaren AS3935.

Konsumenterna behöver utrustning som ger tillförlitliga varningar i rätt tid – en personlig enhet som mäter sträckan från ett åskväder på noggrant sätt på en sträcka av 30 km eller mer, och som kan känna av skillnaden mellan genuina åskblixtar och andra källor till EMP.

Smalbandsystem
Det finns två typer av blixtar: blixtar mellan moln och jord, och blixtar som stannar kvar inom molnen. Vid elektromagnetisk analys kan man se att de enorma strömmarna som genereras vid åskväder ger bredbandssignaler över ett stort spektrum. Det är praktiskt taget omöjligt att övervaka ett så stort frekvensintervall med en bärbar enhet avsedd för privat bruk. Som tur är ledde Popovs experiment till vetskap om att smalbandssystem kan känna av signaler från åskblixtar. Men hur noggrann är den här smalbandssignalen?
Faktum är att åskblixtar är en komplex kombination av flera olika händelser: strömöverslag, returslag, inre aktivitet i molnet, och efterföljande blixtnedslag. I vetenskaplig litteratur (Le Vine, D.M., ”Review of Measurements of the RF Spectrum of Radiation from Lightning”, 1987) framgår att åskblixtar kan avkännas med ett smalbandssystem, även om viss detalj i signalens form förloras. Fig 1 visar att det finns en nära överensstämmelse mellan bredbandets elektriska fält och den signal som tas upp med en smalbandsmottagare vid 500 kHz.
Le Vine-rapporten visar också att åskblixtens emissioner har en topp vid cirka 5 kHz, varefter de faller som en funktion av 1/f. Om centrumfrekvensen i en smalbandsmottagare har ställts in för högt faller den mottagna signalens styrka till en punkt där den blir svår att skilja från andra störningskällor med EMP. Signalstyrkan är mycket högre på en låg frekvens, på mycket låga frekvenser, men antennen blir för otymplig för att kunna byggas in i en portabel enhet. Därför finns en kompromiss mellan signalstyrka och enhetens storlek, där de mest lämpliga frekvenserna ligger mellan ett par hundra kHz och upp till ett par MHz.

Mönstermatchande programvara
En lågfrekvensmottagare kan alltså känna av emissionerna vid blixtnedslag, vilket är i linje med Popovs resultat. Men en större utmaning i arbetet med att få fram en tillförlitlig och användbar åskvarnare är:
* att motverka signaler från andra källor
* att noggrant uppskatta avståndet till ett åskväder
Ams har utvecklat ett praktiskt system som implementerats i IC-åskvarnaren AS3935. Det här systemet fungerar vid avkänning av blixtaktivitet mellan moln och jord, och även blixtaktivitet inom moln, och bygger på algoritmer som analyserar inkommande signaler och jämför deras form med den typiska formen hos vågformen hos ett blixtnedslag. Mycket arbete har lagts ned på att anpassa algoritmen så att den ger en bra balans mellan bortstötning av störningssignaler från andra källor och avkänning av genuina signaler som genereras av åskblixtar.
En särskild hårdkodad algoritm som har implementerats i modell AS3935 kan även derivera noggranna avståndsuppskattningar genom att analysera energin i signalen som avkänns av IC-enhetens RF-front.
Fig 2 visar ett blockschema över AS3935. Precis som i Popovs system övervakar enheten LF-banden (500 kHz–2 MHz) och söker efter den starka 1/f-signaturkarakteristiken hos åskblixtar. Systemet innehåller en AFE-enhet (Analogue Front-End) som förstärker insignalen som tas upp av antennen och överför den till basbandet samtidigt som den filtreras för numeriska beräkningar i backend-delen. Blixtalgoritmblocket består av tre steg: signalvalidering, energiberäkning och statistisk uppskattning av sträckan.


Fig 3. Jämförelse av blixtsignaler från AS3935 och ytterst exakta data från NLDN. Jämförelsen visar hur utsignalen från AS3935 stämmer mycket väl överens med NLDNs avancerade radarbaserade system. Den vågräta axeln representerar antalet blixtnedslag.

Det första blocket kontrollerar mönstret hos den inkommande signalen och stöter bort brus från andra källor. Fig 1 visar hur en typisk åsksignal stiger till ett högt värde mycket snabbt och därefter faller jämnt efter toppen. Den flexibla algoritmen i AS3935 gör att slutanvändaren kan optimera kompromissen mellan blixtavkänningen och bortstötningen av störningssignalerna.
Om den mottagna signalen fastställs vara en blixt utför det andra blocket en energiberäkning. Beräkningen analyseras sedan i det sista blocket som uppskattar avståndet till åskvädrets centrum baserat på data som samlas in under hela åskvädret. Uppskattningen av sträckan ges i kilometer med en variabel upplösning från 1 km och 4 km. (Uppskattningen blir mer exakt när åskvädret närmar sig instrumentet.)
Prestanda i AS3935 har testats av Florida Institute of Technology i Melbourne, USA, och jämförts med officiella åskvädersdata från NLDN (National Lightning Detection Network) i USA, som anses utgöra guldstandarden vid övervakning av åskväder och blixtar (se fig 3).
Dessa jämförande data visar att denna enda IC-krets, som enkelt kan byggas in i ett litet handhållet instrument, kan ge en hög noggrannhet vid avkänning av blixtnedslag och uppskatta sträckor lika noggrant som stora, fasta och professionella installationer.
Den här integrerade lösningen är den första som drivs med mycket låg effekt, vilket gör att batteriet bara behöver vara en enkel knappcell, som dessutom håller i åratal. I en slutprodukt krävs inga andra tillhörande komponenter än en enkel enkapseldator med antingen ett SPI- eller I2C-gränssnitt, samt en parallell resonatorantenn som har en induktor med järnkärna, en kondensator och en resistor.
Ruggero Leoncavallo, systemtekniker, ams

Comments are closed.