FUNKTIONSWEISE
Die Grundkonfiguration eines Blitzortungssystems, wie sie auch dem Austrian Lightning Detection & Information System (ALDIS) zugrunde liegt, besteht aus folgenden Komponenten:
1. Direction Finder Ein Direction Finder (DF) besteht aus zwei orthogonal aufeinanderstehenden
magnetischen Antennen zur Messung der Nord-Süd- und der Ost-West-Komponente
des magnetischen Feldes (B-Feld) und einer elektrischen Plattenantenne
zur Messung der Polarität (E-Feld). Die magnetische Antenne dient
zur Bestimmung des Einfallswinkels und die elektrische Antenne dient zur
Bestimmung der Polarität eines Blitzes. Außerdem wird der Signalverlauf
der magnetischen Antenne noch zur Unterscheidung zwischen Wolke-Erde-Entladungen
und anderen Signalen herangezogen. Der Einfallswinkel des Blitzfeldes kann
aus dem Verhältnis der Signale der beiden magnetischen Antennen berechnet
werden (siehe
Abbildung 1
Eine weitere wichtige Aufgabe des DF, neben der Bestimmung der Einfallsrichtung, ist die möglichst eindeutige Erkennung von Blitzsignalen. Die Feldverläufe von Wolke-Erde-Blitzen müssen von anderen empfangenen elektromagnetischen Signalen (Störsignalen) ausgefiltert werden. Als mögliche Störquellen kommen alle künstlichen und natürlichen Felderzeuger (Korona von Hochspannungsleitungen, Fernmeldesender, Motorzündungen, Wolke-Wolke- Blitze usw.) in Frage. Die Unterscheidung zwischen Wolke-Erde-Blitzen und Störsignalen erfolgt durch ein patentiertes Verfahren ("Waveform Discrimination"), das einen Wolke-Erde-Blitz aufgrund mehrerer charakteristischer Merkmale des elektromagnetischen Feldes erkennt. Es müssen mehrere Kriterien erfüllt sein, damit ein elektromagnetisches Signal als Blitz registriert wird. Mittels dieses Verfahrens können Störimpulse mit hoher Sicherheit ausgeschieden werden. 2. Positionanalyzer (PA) Die von den Direction Findern als Blitze erkannten und ausgewerteten Daten werden mit einer exakten Zeitmarke versehen und zum Positionanalyzer übertragen. Die erste Aufgabe des Positionanalyzer ist es, aufgrund der Zeitmarken alle Daten zu gruppieren, die zum selben Blitzschlag gehören. Stehen für einen Blitzschlag die Daten von mindestens zwei Direction Findern zur Verfügung, wird der Einschlagspunkt durch Einschneiden der Ortungsvektoren bestimmt. Neben den Koordinaten des Einschlagspunktes stellt der Positionanalyzer zu jedem erfaßten Blitz einige weitere Informationen zur Verfügung: 1. Uhrzeit 2. Polarität (positiv/negativ) 3. Blitzstromamplitude in kA 4. Anzahl der Teilblitze 5. Anstiegszeit des Feldimpulses 6. Pulsbreite des Feldimpulses 2.1 Berechnung eines Einschlagspunktes Es gibt verschiedene Methoden zur Berechnung eines Einschlagspunktes, die von der Anzahl der Direction Finder, die den Blitz registriert haben und von der Lage des Blitzes relativ zu den Direction Findern abhängig sind. Generell gilt, daß angestrebt wird, aus den verfügbaren Sensorinformationen zu einem Blitzschlag ein Optimum an Ortungsgenauigkeit und Detection Efficiency zu erreichen. Im folgenden werden nur die am häufigsten verwendeten Prinzipien beschrieben, da eine Darstellung des vollständigen Ermittlungsverfahrens des Einschlagspunktes unter Berücksichtigung aller Richtungs- und Zeitinformationen den Rahmen dieser Einführung sprengen würde.
Bedingt durch die relativ großen Abstände von bis zu mehreren hundert Kilometern zwischen den Meßstellen ist es generell erforderlich, alle Ortungsberechnungen auf Basis der sphärischen Geometrie durchzuführen. Optimierung mit Zeit- und Richtungsinformation Diese Art der Einschlagspunktberechnung wird verwendet, wenn von mindestens zwei Sensoren Zeit- und Richtungsinformation des Blitzsignals vorhanden ist. Da zur Ortsbestimmung grundsätzlich nur zwei Richtungen notwendig sind, ist das Gleichungssystem überbestimmt und es wird ein optimierter Blitzort unter Anwendung eines Verfahrens zur Minimierung der Summe der Fehlerquadrate berechnet. Die große Mehrzahl der Blitze wird nach diesem Verfahren lokalisiert. Nur in Ausnahmefällen, wenn z.B. keine ausreichend genaue Zeitinformation zur Verfügung steht, kommt eines der folgenden Verfahren zur Anwendung. Optimierung nur mit Richtungsinformation Wird ein Blitz von mindestens drei Sensoren nur durch die Richtungen
geortet, weil z. B. keine Synchronisation durch das GPS Signal erfolgte
und daher die Zeitinformation nicht in ausreichender Qualität verfügbar
ist, wird der Einschlagspunkt ebenfalls durch einen Optimierungsalgorithmus
bestimmt.
Abbildung 2 Triangulation Diese Methode wird verwendet, wenn für die Blitzortung nur zwei
Peilungen und keine exakten Zeiten zur Verfügung stehen. Bei diesem
Verfahren stellt der Schnittpunkt der beiden Peilgeraden den Einschlagsort
dar (Abb. 3). Wenn jedoch die Peilungen innerhalb eines kleinen Winkels
in bezug auf die Baseline (Verbindungsgerade der beiden DF) liegen, wird
das Triangulationsverfahren nicht mehr verwendet, da der zufällige
Fehler der Peilungen einen zu großen Ortungsfehler hervorrufen würde.
In diesem Fall wird die "Baselinemethode" verwendet.
Abbildung 3
Baseline Diese Art der Berechnung des Einschlagspunktes wird verwendet, wenn der Einschlagspunkt nahe der Verbindungslinie der beiden DF liegt und nur Richtungsinformation zur Verfügung steht. Eine genaue Ermittlung des Einschlagspunktes durch Triangulation ist wegen des schleifenden Schnittes nicht möglich. Um diesen trotzdem möglichst genau zu ermitteln, wird die Baseline (Verbindungsgerade der beiden DF) im Verhältnis der Signalamplituden geteilt, da vorausgesetzt wird, daß das elektromagnetische Feld umgekehrt proportional dem Abstand abnimmt. Overrange Triangulation Die Ortsbestimmung durch Triangulation oder Baseline kann bei Vorhandensein von nur zwei Sensormeldungen nicht verwendet werden, wenn die von einem sehr nahen Blitz abgestrahlte Energie die Meßelektronik eines der Sensoren übersteuert. Die Overrangeberechnung geht davon aus, daß der Blitz in der Nähe des gesättigten Sensors eingeschlagen hat. Ein ungefährer Einschlagspunkt kann in diesem Fall noch aus dem Schnittpunkt der Peilgeraden des nicht übersteuerten DF's und einer Geraden, die normal auf die Peilgerade durch den gesättigten Sensor verläuft, berechnet werden. 2.2 Ortungsgenauigkeit Die bei einem einzelnen Blitzschlag erreichbare Ortungsgenauigkeit hängt von einer Reihe von Einflußfaktoren ab, wie z.B. der Anzahl der beteiligten Sensoren, der Distanz zu den Sensoren, dem statistischen Fehler bei der Winkel- und Zeitmessung. Für die Gesamtheit aller georteten Blitzeinschläge kann eine durchschnittliche Genauigkeit von besser als 1 km angenommen werden. 3. Vorteile des IMPACT Systems Ein Blitz muß nur von zwei Direction Findern registriert werden, um den Einschlagspunkt genau bestimmen zu können. Dadurch werden auch stromschwache Blitze geortet. Bei der Erfassung eines Blitzes durch zwei Sensoren stehen bereits 4 Informationen (2 Richtungen und 2 Zeiten) zur Verfügung. Diese redundante Information erlaubt eine Optimierung der Ortsbestimmung selbst bei einer Ortung mit nur zwei Sensoren. Mit Hilfe der "Waveform Discrimination" erfolgt eine zuverlässige Unterscheidung von Wolke-Erde-Blitzen und Wolke-Wolke-Blitzen. Links: Bilder von Blitzen Funktionsweise |