Juni 2017
Utvärdering av Blitzortung
blixtlokaliseringssystem
En jämförande studie med SMHI
som referenssystem
Teknisk- naturvetenskaplig fakultet UTH-enheten Besöksadress: Ångströmlaboratoriet Lägerhyddsvägen 1 Hus 4, Plan 0 Postadress: Box 536 751 21 Uppsala Telefon: 018 – 471 30 03 Telefax: 018 – 471 30 00 Hemsida: http://www.teknat.uu.se/student
Evaluation of the Blitzortung lightning locating system
Adam Bergman
Blitzortung is a non-commercial lightning detection system intended for recreational use only. In this thesis the performance of the Blitzortung system is evaluated in order to see to which extent it can be compared to a high performance commercial lightning detection system for use in Sweden. Also a graphical tool for visualising lightning strikes detected by Blitzortung on maps containing an electric grid with the related infrastructure is proposed.
The evaluation is accomplished by comparing lightning data registered by Blitzortung with lightning data from the national lightning locating system provided by the Swedish meteorological institute. By analysing lightning data from the lightning high-season in Sweden between the year 2012-2016, and by conducting a more in depth evaluation of the system based on data from 2016, the Blitzortung system performance is evaluated.
Results for calculated flash density and flash rate density suggests that the Blitzortung system is improving over the study time, which is probably due to the fact that the number of sensors in Sweden has increased from a single station in 2012 to 30 stations in 2016. The performance evaluation show a relative detection efficiency of 34 % for strokes correlated between the systems in relation to the total strokes detected by SMHI. For strokes detected south of latitude 61 in Sweden the relative DE (detection efficiency) is 44.7 %, and for CG(cloud-to-ground) strokes it is 43.0 %. If only CG-strokes south of latitude 61 is considered the corresponding value is 55.1 %. The performance of the Blitzortung-system seems to be depending on the number of sensors in the region of interest. The relative positional error between the networks south of latitude 61 was shown to have a smaller median error of 1750 m and an upper quartile on 3350 m, compared to north of
latitude 61 where the median error was 2780 m and the upper quartile 5900 m.
The results indicates a systematic directional error for correlated strokes between the systems. It is also shown that the included parameters for Blitzortung strokes could not be used in any meaningful way for predicting positional errors between the networks.
ISSN: 1650-8300, UPTEC ES 17 014 Examinator: Petra Jönsson
Ämnesgranskare: Mahbubur Rahman Handledare: Kristoffer Backström
Populärvetenskaplig sammanfattning
I syfte att underlätta felsökning och underhåll av elnätet under pågående åskväder kan ett blixtlokali-seringssystem användas som hjälpmedel. Genom att kombinera tid- och platsinformation från elnätets ledningscentral med fastställd position och tidstämpel för blixtnedslag, kan man korrelera vilka fel och avbrott i elnätet som troligtvis uppkommit till följd av blixtnedslag. Denna information kan därefter användas i åtgärdsplanen för felavhjälpning.
I detta examensarbete utvärderas Blitzortungsystemet, som är ett icke-kommersiellt blixtlokaliserings-system för hobbyverksamhet i syfte att undersöka om blixtlokaliserings-systemet har tillräckligt hög prestanda för att kunna användas som ett alternativ till konventionella system för användning i Sverige. Utvärderingen sker genom att använda SMHI:s blixtlokaliseringssystem som referens, och baseras på den blixtdata som respektive system registrerat under åsksäsongen (maj-september) under åren 2012-2016.
För att underlätta felsökning har även ett grafiskt visualiseringsverktyg utvecklats, vilket visar blixt-data från Blitzortung-systemet. I visualiseringsverktyget kan blixtar filtreras i tiden på sekundbasis och blixtpositionerna presenteras därefter på en karta innehållandes elnätet och relaterade kompo-nenter av intresse. Aktuell blixtdata uppdateras så nära realtid som möjligt (varje minut) för att visualiseringsverktyget ska kunna nyttjas under pågående åskväder.
Resultatet av utvärderingen visar att Blitzortungs prestanda ökar över studietiden, vilket troligtvis kan förklaras av att antalet stationer har ökat från en enda station år 2012, till 30 stationer i slutet på år 2016. Det visade sig att prestandan för systemet varierar beroende på antalet Blitzortung-stationer som återfinns kring området som är av intresse. Med anledning av detta kan man i dagsläget dela upp Sverige i två delar där prestandan skiljer sig beroende om man befinner sig norr eller söder om den 61:e breddgraden (i höjd med Mora i Dalarna). Söder om latitud 61 visar mätningar av horisontellt avstånd mellan urladdningar som systemen uppfattat som ”samma” blixt en median på 1750 m och en övre kvartil på 3350 m. Norr om latitud 61 är medianen 2780 m och den övre kvartilen 5900 m. Andelen urladdningar som systemen registrerade som ”samma” blixt var 34 % av det totala antalet urladdningar detekterade av SMHI, när både blixtar moln- (blixtar inom eller mellan moln) och jordblixtar (som går mellan molnet och marken) inkluderades. Om endast urladdningar söder om latitud 61 beaktas är motsvarande värde 44.7 %, och om endast jordblixtar beaktas är värdet 43.0 %. För jordblixtar söder om latitud 61 är värdet 55 %. Övriga resultat tyder på att det inte finns något tillförlitligt sätt att skatta osäkerheten för de av Blitzortungsystemet bestämda blixtpositionerna. Det ser även ut att finnas ett riktningsbias där korrelerade SMHI- och Blitzortung-urladdningar verkar positionernas längs en linje i öst-västlig riktning i slumpvis ordning.
Slutsatsen är att Blitzortungsystemet inte kan jämföras med ett kommersiellt system. Om det ska användas för att översiktligt korrelera urladdningar i elnät ska området av intresse vara beläget sö-der om den 61:a breddgraden i Sverige. Något man då ska man ha i åtanke att Blitzortung endast detekterar ca hälften av alla urladdningar där, samt att positioneringsfelet ofta är flera kilometer. Avslutningsvis är det värt att nämna att all användning av Blitzortungssystemet måste ske i enlighet med Blitzortungs regler och föreskrifter på www.blitzortung.org.
Excecutive summary
In this thesis the Blitzortung lightning detection system has been evaluated in order to investigate if it can be used as an alternative to a commercial lightning locating system for correlation of strokes with electric outages in VB Energi’s electric grid.
In order to use the Blitzortung system for correlation of strokes with faults and outages in the grid, a visualisation tool has been developed. The visualisation tool shows lightning data on maps containing the electric grid, where the lightning strokes can be filtered in time in order to correlate faults and outages under ongoing thunderstorms.
The evaluation of the Blitzortung system is performed by comparing lightning data from SMHI:s lightning locating system. First overall lightning distribution and maximum frequency in Sweden from the lightning season 2012-2016 is investigated. Also a in depth evaluation of the performance is performed with lightning data from the lightning season of 2016.
The results show that the system detects about half of the occurring cloud-to-ground strokes south of latitude 61. The median of the observed horizontal distances between strokes thats been correlated between the systems is 1750 m south of latitude 61. The upper quartile is 3350 m, meaning that 75 % of all correlated strokes had a horizontal distance of 3350 m or less.
Results from the evaluation indicates that the performance of the Blitzortung system cannot be compared to a high performance lightning detection system for correlating strokes. If the Blitzortung system is to be used by VB Energi it should be taken in consideration that only about half of the occurring cloud to ground-strokes is detected and that the locating accuracy often has a deviation of several kilometers. Finally, it should be noted that all use of the Blitzortung system must be conducted in accordance with the Blitzortung terms of usage available on www.blitzortung.org
Förord
Jag vill börja med att tacka mina handledare Kristoffer Backström och Andreas Pettersson på VB-energi för ett gott samarbete. Jag vill även tacka Mahbubur Rahman som förutom sin roll som äm-nesgranskare kommit med goda råd samt bistått med viktiga kontakter. Ett stort tack vill jag rikta till SMHI som varit mycket hjälpsamma och bistått med data som möjliggjort detta examensarbete. Tack till Alex på www.lokaltvader.se som bidragit med värdefull information om Blitzortungsyste-met under examensarbetets tidiga fas. Jag vill även tacka Jan Eric Englund på Biostokastikum för hjälp med statistikberäkningar, trots att denna del av arbetet inte inkluderades i rapporten.
Slutligen vill jag tacka min familj och min fantastiska flickvän Malin som varit ett stort stöd inte bara under examensarbetet utan genom hela Energisystemprogrammet.
Ordlista
• 1PPS - en signal med exakt en puls per sekund
• A/D-konverter - analog-digtal-konverter - används för att göra en digital representation av en analog signal
• BLS - Blixtlokaliseringssystem • BO - Blitzortung
• DE - relativ detektionsgrad - hur stor del av antalet blixtar som detekteras av blixtlokaliserings-systemet som utvärderas i relation till antalet blixtar detekterade av referensblixtlokaliserings-systemet
• urladdning - (eng: stroke) - en blixturladdning i en flash • flash - en blixt innehållandes en eller flera urladdningar • CGLSS - lokalt blixtlokaliseringssystem i Florida, USA • CGLSS-II - uppgraderad version av CGLSS
• GIS - geografiska informationssystem
• VLF - very low frequcency - frekvensbandet mellan 3 kHz - 30 kHz • LF - low frequency - frekvensbandet mellan 30 kHz - 3 MHz • HF - high frequency - frekvensbandet mellan 3 MHz - 30 MHz
• VHF - very high frequency - frekvensbandet mellan 30 MHz - 300 MHz • Hotspot - ett område med särskilt tät ansamling blixtar
• DMA - direct memory access - en teknik för att läsa in data direkt från internminnet • EUCLID - ett samarbete mellan nationella blixtlokaliseringssystem i Europa
• IDW - inverse distance weighted - en GIS-teknik för interpolering av punktdata
• LLP - blixtlokaliseringssystem upprättat av Uppsala Universitet och försvaret som baseras på magnetisk-pejling
• LPATS - blixtlokaliseringssystem upprättat av SMHI som baseras på time of arrival-teknik • IMPACT - en sensorteknik som kombinerar LLP- och LPATS-systemet
• LS700/LS7001 - en modernare sensorteknik än IMPACT
• MDS - ”mean deviation span” - parameter i Blitzortungs blixtdata • MCG - ”mean circular gap” - parameter i Blitzortungs blixtdata • NDLN - nationellt blixtlokaliseringssystem i USA
• OP-förstärkare - operationsförstärkare - förstärkarkrets med hög förstärkning
• TOA - time of arrival - teknik som används av blixtlokaliseringsystem och baseras på mätning av absolut tid för platsbestämning av blixtar
• TOGA - time of group arrival - metod för avhjälpa problemet som uppkommer när man ska uppskatta en tidsstämpel utifrån ett vågtåg som anländer vid olika tidpunkter
• SMHI - Sveriges meteorologiska institut
• SMA-kontakt - en typ av kontakt för koaxialkabel
• SQL - Structured query layer - ett programspråk för hantering av databaser
• Propageringseffekter - Påverkan på den propagerande blixtsignalen som kommer av markens bristfälliga ledningsförmåga
• UTC - Koordinerad universell tid - en internationell referenstid • WGS84 - ett geografiskt referenssystem
1 Introduktion 1
1.1 Bakgrund . . . 1
1.2 Syfte . . . 1
1.3 Avgränsningar . . . 1
2 Om åska och blixtar 2 2.1 Blixten - eller blixturladdning . . . 2
2.2 Negativ jordblixt - hur blixten uppstår . . . 2
2.2.1 Förberedande sammanbrott . . . 2
2.2.2 Stegurladdning . . . 3
2.2.3 Fångurladdning . . . 3
2.2.4 Huvudurladdning . . . 3
2.2.5 K-puls och pilurladdning . . . 3
2.2.6 Efterföljande huvudurladdning . . . 4
3 Blixten som signal - generering av elektromagnetiska fält 5 3.1 Hur blixten genererar fält . . . 5
3.2 Mätning av elektriskt fält . . . 7 3.3 Mätning av magnetiskt fält . . . 7 4 Allmänt om blixtlokaliseringssystem 9 4.1 Frekvensinehållets påverkan för BLS . . . 9 4.2 Blixtlokaliseringssystemets parametrar . . . 9 4.3 Långdistans BLS - f(V LF −HF ) . . . 10 4.4 Kortdistans BLS - fV HF . . . 10 4.5 Teknik för Blixtlokalisering . . . 10 4.5.1 Time of arrival . . . 11
4.5.2 Magnetisk pejling . . . 11
5 Blitzortung 12 5.1 Blitzortungstationen . . . 13
5.1.1 Händelseförlopp vid detektering av blixt . . . 14
5.2 Antenner . . . 15
5.2.1 Elektriskt fält . . . 15
5.2.2 Magnetisk fältstyrka - loopantenn . . . 15
5.3 Optimering av Blitzortungstationen . . . 16 5.4 Blitzortungs osäkerhetsparameterar . . . 16 6 SMHI:s Blixtlokaliseringssystem 18 6.1 Systemkonfiguration . . . 18 6.2 Prestanda . . . 19 7 Metod 20 7.1 Implementering . . . 20 7.1.1 E-fältsantenn . . . 20 7.1.2 H-fältsantenn . . . 20 7.2 Framtagning av visualiseringsverktyg . . . 21 7.3 Utvärdering av blixtlokaliseringssystem . . . 22
7.3.1 Jämförande mätningar - tidigare studier . . . 22
7.3.2 Övergripande distribution av urladdningar . . . 25
7.3.3 Utvärdering av prestanda . . . 26
8 Resultat 28 8.1 Övergripande distribution av urladdningar . . . 28
8.1.1 Urladdningsdensitet . . . 32
8.2 Utvärdering prestanda . . . 43
8.2.1 Positioneringsosäkerhet . . . 46
8.2.2 Relativ detektionsgrad . . . 50
8.2.3 Riktningsbias för korrelerade urladdningar . . . 51
8.2.4 Blixtar i stamnätet . . . 52
8.2.5 Blitzortungs osäkerhetsvariabler - MDS och MCG . . . 53
8.3 Grafiskt visualiseringsverktyg . . . 56 8.3.1 Teknisk basfakta . . . 56 8.3.2 Verktygets funktioner . . . 56 9 Diskussion 58 9.1 Felkällor . . . 61 10 Slutsats 63 Referenser 64 11 Appendix 66 11.1 Kod . . . 67
Tabeller
1 Totala antalet urladdningar tillgängliga från respektive blixtlokaliseringssystem . . . . 282 Urladdningar som använts i avsnitt 8.1 . . . 28
3 Grundurval av urladdningar som användes för utvärdering av prestanda . . . 43
4 Data över urladdningar som använts för beräkningarna i avsnitt 8.2. . . 45
5 Percentiler kumulativ distribution positioneringsavvikelse Urladdningar som använts för beräkningen har Data-ID:BASFALL för hela Sverige, Data-ID: S61för urladdningar söder om latitud 61 samt Data-ID:N61 för urladdning-arna norr om latitud 61 i Tabell 2. . . 50
1
Introduktion
1.1
Bakgrund
Skador på infrastruktur och komponenter i energisystemet orsakade av blixtnedslag kan medföra stora kostnader för både involverade aktörer i energisystemet som exempelvis nätägare och energibolag, men även samhället i stort. Genom användning av blixtlokaliseringssystem kan tid och plats bestämmas för blixtnedslaget. Ett konkret exempel på nyttan av systemet är att man under ett pågående åskväder kan se om ett blixtnedslag skett i närheten av en kraftlina som kortslutits. Informationen är då till stor hjälp vid sektionering och felsökning under åskväder. Om man snabbare kan lokalisera var blixten slagit ner finns stora möjligheter att minska den totala avbrottstiden. Ytterligare användningsområden av blixtlokaliseringssystemet är att man över tid kan föra statistik för att se vilka områden i elnätet som är extra utsatta för nedslag, och utifrån detta förebygga att framtida problem uppkommer. I dagsläget finns kommersiella blixtlokaliseringstjänster varav ett exempel är SMHI:s åskrisktjänst. Det finns dock ett icke-kommersiellt blixtlokaliseringssystem kallat Blitzortung, som undersökts mycket lite i tidigare forskning. På uppdrag av företaget VB Energi har därför Blitzortungsystemet undersökts i detta examensarbete, för att se ifall det kan visa sig vara användbart i deras verksamhet. För att utvärdera Blitzortungssystemet har SMHI:s blixtlokaliseringssystem använts som referenssystem. Blitzortung lämnar inga garantier på systemets prestanda eller tillförlitlighet. Dock är det ändå möjligt att systemet kan visa sig ge tillfredsställande resultat för att korrelera blixtdata med kraftledningar i elnätet som kortslutits eftersom Blitzortungsystemet har utvecklats i över tio år och tekniken bakom systemet är samma som används i kommersiella blixtlokaliseringssystem. Fördelen med Blitzortung är det låga priset samt att man har tillgång till blixtdata som uppdateras nära realtid. Dock måste användningen av systemet ske i enlighet med Blitzortungs riktlinjer, som exempelvis innefattar att man ej får sälja rådata till utomstående part.
1.2
Syfte
Syftet med examensarbetet är att utvärdera Blitzortungs blixtlokaliseringssystem för att se om pre-standan är tillräckligt hög för att användas i daglig drift för underhåll och felsökning i elnätet, och därmed vara ett alternativ till kommersiella blixtlokaliseringssystem. Med prestanda menas främst detektionsgraden, det vill säga hur många faktiska urladdningar som detekteras, samt noggrannheten vid platsbestämning av urladdningar. En del studien är även att utveckla en mjukvara för visualisering av blixtar i VB Energi:s elnät.
1.3
Avgränsningar
Utvärderingen omfattar endast blixtdata från åsksäsongen (maj - september) för de studerade åren 2012-2016. Studien består av två huvuddelar vilka är avsnittet Övergripande distribution av urladd-ningar där blixtdata för åsksäsongen 2012-2016 använts, samt avsnittet Utvärdering av prestanda där endast blixtdata från åsksäsongen 2016 har använts.
2
Om åska och blixtar
Det finns många olika typer av blixtar och i detta avsnitt beskrivs de övergripande processerna i ett blixtnedslag. Då detta examensarbete behandlar marknära tillämpningar som elnät är jordblixtar, det vill säga blixtar mellan moln och mark, av störst intresse. För mer djupgående läsning om blixtar i allmänhet rekommenderas boken An Introduction to Lightning (2015) av Vernon Cooray.
Det vi normalt kallar för en blixt är egentligen ofta ett flertal blixturladdningar. Dessa sker i så snabb följd att vi inte kan urskilja de olika urladdningarna, varpå de uppfattas som en enda blixt. På engelska kallas en blixt för flash och de enskilda blixturladdningarna för strokes. System för blixtlokalisering uppskattar antalet blixtar utifrån mätningar av urladdningar inom en viss tidsram och geografisk avgränsning. Ett exempel skulle kunna vara att alla urladdningar som sker inom en sekund och inom en radie 10 kilometer tillhör blixten. Det totala antalet urladdningar i en blixt kallas för blixtens multiplicitet (Isaksson et al. 2010, s. 10).
2.1
Blixten - eller blixturladdning
Man kan kategorisera blixtar i två huvudtyper vilka är jordblixtar och molnblixtar. Molnblixtar sker mellan olika laddningsfickor inom molnet eller mellan motsatta laddningsfickor mellan två moln. Jord-blixtar kallas de Jord-blixtar som går mellan marken och molnet. Jordblixtens polaritet beror på vilken laddningsficka i molnet som neutraliseras. Om negativ laddning transporteras till marken vid en blixt mellan det negativa laddningscentrat i molnet och marken kallas blixten negativ. Vid positiva jordblix-tar transporteras istället positiv laddning mellan det positiva laddningscentrat i molnet och marken. Blixtar kan även initieras av höga objekt på marken, och beroende på vilken typ av laddning som färdas till marken klassificeras blixten antingen som positiv eller negativ uppåtriktad jordblixt. En jordblixt kan därmed vara nedåtriktad negativ, uppåtriktad negativ, nedåtriktad positiv eller uppåtriktad po-sitiv. Andelen nedåtriktade negativa blixtar är cirka 90 % av alla jordblixtar, och av resterande 10 % är nedåtriktade positiva blixtar i majoritet. Positiva jordblixtar kan ha mycket högra strömstyrkor med en storleksordning på hundratals kA. De består oftast av en enda huvudurladdning där urladd-ningsströmmen har en längre varaktighet än hos negativa jordblixtar (Cooray 2015, s. 85-86, 114). Tidigare mätningar av den maximala strömstyrkan hos positiva jordblixtar har visat en median på 35 kA, samt att 5 % av jordblixtarna har strömstyrkor över 250 kA, och 95 % har en strömstyrka över 4.6 kA. (Rakov och Uman 2003, s. 215)
2.2
Negativ jordblixt - hur blixten uppstår
Detta avsnitt beskriver översiktligt processerna kopplade till negativa jordblixtar som står för majo-riteten av alla jordblixtar. Även om positiva jordblixtar sannolikt bidrar till att orsaka fel och avbrott i elnätet kommer de inte beskrivas utförligare i denna rapport då de står för en liten del av det totala antalet blixtar.
2.2.1 Förberedande sammanbrott
Före en jordblixt sker något som kallas förberedande sammanbrott, vilket är ett elektriskt sammanbrott som sker mellan det negativt laddade partiet i molnet och det positivt laddade området i nedre delen av molnet. En kanal uppstår då mellan det positiva och negativa området, varpå elektroner flödar över till det positiva området som då neutraliseras. När fler elektroner färdas i kanalen ökar kanalens ledningsförmåga, vilket gör att ännu fler elektroner flyter med likt en självförstärkande loop (Cooray 2003, s. 48).
2.2.2 Stegurladdning
Stegurladdning kallas den negativt laddade kanal som förgrenar sig nedåt från den negativt laddade delen av åskmolnet mot den positivt laddade marken. Efter det förberedande sammanbrottet har elektrondensiteten i molnets bas blivit mycket hög, och likaså den elektriska potentialen mellan molnets bas och marken. Då tillräckligt hög potentialskillnad byggts upp påverkar elektronerna i molnet andra elektroner i den omgivande luften, vilka Cooray (2003) kallar för slavelektroner. Dessa slavelektroner skjuts iväg av elektronerna i molnbasen, och på så sätt bildas en ledande kanal. När slavelektronen stannar, någonstans mellan 10-100 m och efter en tid på 10-100 µs, färdas elektroner från molnbasen i den ledande kanalen som bildats av slavelektronerna. Därefter skjuter elektronerna som färdats i kanalen återigen iväg slavelektroner. Det sker en paus när slavelektronerna formar en kanal, vilket medför att genomsnittshastigheten nedåt för en stegurladdning blir cirka 105 m/s. Ofta ligger inte kanalerna i varje steg i linje med varandra och en kanal kan t.ex. förgrena sig till två kanaler, vilket utgör stegurladdningens förgrenade utseende (Cooray 2003, s. 48-49). Det är dessa ledande kanaler eller steg, som ger stegurladdningen sitt namn. Temperaturen i kanalerna är mellan 10 000-20 000 K beroende på tidpunkt, och kanalerna har en diameter på några centimeter samt en ström på cirka 100 A (Cooray 2015, s. 99-100).
2.2.3 Fångurladdning
Stegurladdningen gör att negativ laddning transporteras närmare marken. När stegurladdningen när-mar sig när-marken börjar positiv laddning samlas i höga föremål. Då stegurladdningen färdats ner till en höjd på 100-200 meter söker sig de positiva laddningarna uppåt mot stegurladdningen, vilket kal-las fångurladdning. Fångurladdningar från olika objekt i området söker sig mot stegurladdningen, och nedslagspunkten för blixten hamnar vid det objekt på marken vars fångurladdning får kontakt med stegurladdningen. I vilken mån fångurladdning genereras från ett föremål styrs av dess höjd och elektriska ledningsförmåga. (Cooray 2003, s. 50-51).
2.2.4 Huvudurladdning
Spänningskillnaden mellan stegurladdningen och marken där fångurladdningen utgår ifrån är typiskt kring 50 MV. När fångurladdningen har fått kontakt med stegurladdningen kommer en stor mängd elektroner strömma mot marken, vilket kallas huvudurladdning. Denna fungerar enligt samma fysika-liska princip oavsett blixtens polaritet, där skillnaden är riktningen för huvudurladdningen. Den stora strömmen vid huvudurladdningen (i medeltal 30 kA) gör att ledningskanalen blir lysande av värmen. Då luften värms till omkring 30 000 K expanderar den snabbt vilket ger upphov till de kraftiga ljud-vågor som associeras med åska. En typisk jordblixt har en varaktighet mellan 200-300 ms och består i medeltal av 3-4 huvudurladdningar totalt (Cooray 2015, s. 105-103, 109).
2.2.5 K-puls och pilurladdning
Stegurladdningen för endast bort negativ laddning ur en liten del av det negativa laddningscentrat i molnet. Detta medför att området som tömts på negativ laddning blir positivt laddat i relation till det omgivande negativt laddade området. Det finns då en möjlighet att en urladdning kan ske mellan denna positiva del och det omgivande negativa området, vilket kallas K-puls. Följden av detta är att negativ laddning trycks ner i den ledande kanal som bildats huvudurladdningen, och denna ström av elektroner kallas pilurladdning. När pilurladdningen når marken kan kanalens ledningsförmåga i vissa fall sjunka, vilket resulterar i att pilurladdningen övergår till stegurladdning istället (Cooray 2003, s. 53-54).
2.2.6 Efterföljande huvudurladdning
När pilurladdningen nått marken initieras en ny huvudurladdning. Eftersom pilurladdningen har myc-ket högre potential än marken, kommer den efterföljande huvudurladdningen precis som den första huvudurladdningen att transportera jordpotential uppåt i den ledande kanalen. Den maximala ström-men i efterföljande huvudurladdningar är typiskt kring 12 kA och därmed mindre än den första huvudurladdningen (Cooray 2015, s. 108-109).
3
Blixten som signal - generering av elektromagnetiska fält
Följande avsnitt beskriver de elektriska fält som uppkommer vid jordblixtar samt hur dessa propagerar från den vertikala blixtkanalen. I avsnittet beskrivs även teoretisk mätning av fältets elektriska och magnetiska komponent. Detta för att ge en bild av karaktären hos det elektriska fältet i syfte att öka förståelsen för hur fältet registreras av sensorerna i ett blixtlokaliseringssystem.
3.1
Hur blixten genererar fält
Det matematiska uttrycket för det elektromagnetiska fält som genereras vid blixtnedslag kan delas upp i tre delar: statisk komponent, induktiv komponent samt strålningskomponent. Nära blixtkanalen (inom 5 km) dominerar den statiska komponenten i det elektriska fältet, och med ökande avstånd ( ≥50 km ) står istället strålningskomponenten för det största bidraget till det totala fältet. Därmed kommer vågformen för det uppmätta fältet att se annorlunda ut beroende på hur långt ifrån blixt-kanalen mätningarna utförts. Utifrån vågformen hos det uppmätta elektriska fältet kan exempelvis förberedande sammanbrott, stegurladdning och huvudurladdning urskiljas (Cooray 2015, s. 142-143). Elektriska fält genereras från en mängd olika processer i en jordblixt. Detta kapitel fokuserar dock på fältet från huvudurladdningar eftersom dessa används i stor utsträckning av blixtlokaliseringssystem vid positionering av blixtar. En anledning till detta är att fältet från huvudurladdningar är en av de processer som genererar starkast signaler, vilket möjliggör detektering på långa avstånd. Dessutom motsvarar strålningskomponenten från huvudurladdningen den understa delen av blixtkanalen som i princip är helt vertikal, vilket innebär att positioneringsfelet minimeras. Detta eftersom blixtkanalen på andra ställen i högre grad har en viss utbredning i horisontalplanet, vilket gör det svårare att uppskatta rätt position för nedslaget. Då strålningskomponenten från huvudurladdningen är proportionell mot strömstyrkan kan man uppskatta den maximala strömstyrkan i blixten utifrån den max uppmätta strålningskomponenten (Cooray 2015, s. 218-219).
Cooray, (2015, s. 56-58) använder en kort elektrisk dipol för att härleda ekvationer som beskriver det elektriska fält som genereras vid en huvudurladdning. Genom att studera en dipol över ett perfekt ledande jordplan härleds fältet för alla punkter över planet genom att ersätta dipolen med motsvarande spegeldipol. Om man tänker sig att blixtkanalen utgörs av ett stort antal individuella dipoler kan ekvation 1 och 2 härledas. Följande ekvationer framlagda av Cooray (2015) beskriver fälten vid ett horisontellt avstånd d från blixtkanalen:
E(t)- elektriskt fält som funktion av tiden
B(t)- magnetiskt flödestäthet som funktion av tiden
φ- vinkeln mellan horisontalplanet och dipolen sett från observationspunkten. c - ljushastigheten
r - avståndet från dipolen till observationspunkten. (relativt det horistontella avståndet d till observationspunkten och höjden till dipolen z är avståndet r hypotenusan)
H - höjden på blixtkanalen
ǫ0 - den elektriska permittiviteten i vakuum I - Strömmen i blixtkanalen
z - höjden för aktuell dipol
µ0 - den magnetiska permeabiliteten i vakuum.
Ev(t) = − Z H 0 dz 2πǫ0 " cos2φ c2r dl(t − r/c) dt + (1 − 3sin2φ) r2 I(t−r/c)+ 1 r3(1−3sin 2φ)Z t 0 I(z−r/c)dz # (1) Bφ(t) = − Z H 0 µ0dz 2π " cosφ cr dl(t − r/c) dt + cosφ r2 I(t − r/c) # (2) För stora horisontella avstånd till observationspunkten kommer avståndet mellan blixtkanalens höjd till observationspunkten (r) och det horisontella avståndet från observationspunkten till blixtkanalen (d) gå mot 1, (r ≈ d). Detta på grund av att vinkeln blir mycket liten. Ekvationerna reduceras då till:
Ev,rad(t) = − 1 2πǫ0c2d Z H 0 dl(t − r/c)dz dt (3) Bǫ,rad(t) = − 1 2πǫ0c3d Z H 0 dl(t − r/c)dz dt (4) (Cooray 2015, s. 58)
Detta innebär att endast strålningskomponenten (de termer som varierar inverst med avståndet) blir kvar vid stora avstånd. Det elektrostatiska komponenten är den tredje termen i ekvation 1 minskar med avståndet i kubik och ger därför bidrag till det totala fältet vid små avstånd till blixtkanalen. Den induktiva komponenten är den andra termen i ekvation 1 och 2. Då den induktiva komponenten minskar med avståndet i kvadrat ger den signifikant bidrag till det totala fältet på större avstånd än den elektrostatiska komponenten, men kan försummas vid längre avstånd i relation till strålningskom-ponenten (Cooray 2015, s. 140).
Från ekvation 3 och ekvation 4 fås:
Ev,rad(t) = cBφ,rad(t) (5)
Detta samband visar att för stora avstånd (d ≫ H) kommer det elektriska fältet ha samma rumsliga variation som det magnetiska fältet (Cooray 2015, s. 58).
I realiteten kan inte marken på jorden ses som ett perfekt ledande jordplan, vilket medför att ampli-tuden hos radiovågorna som genereras från blixtar minskar snabbare än de teoretiska värdena. Detta fenomen kallas propageringseffekter och innebär att med ökande frekvens kommer en större del av energin absorberas av marken (Cooray 2015, s. 210). Det innebär att markens finita ledningsförmåga fungerar som ett lågpassfilter som innebär att de höga frekvenserna filtreras bort i större utsträckning än de låga frekvenserna vid ökande avstånd från blixtkanalen.
men individuella processer inom blixten ha betydligt kortare varaktighet, från ett fåtal mikrosekunder till några hundra millisekunder. Dessa individuella processer skapar elektromagnetisk strålning i ett mycket brett spektrum från mycket lågfrekventa komponenter på enstaka Hz, till frekvenser i rönt-genområdet (1020Hz). De våglängder med mest energi återfinns i området mellan ett fåtal kHz till ca 10kHz, och efter denna topp sjunker energiinnehållet linjärt med ökande frekvens (Nag et al. 2015). De elektromagnetiska fälten sprider sig inte bara horisontellt ut från blixtkanalen längs jordytan. De reflekteras även mellan jonosfären och marken, vilket innebär att atmosfären blir att fungera som en vågledare. Inom relativt korta avstånd (≤ 50km) går det knappt att observera dessa reflektioner, men på större avstånd (≥ 100km) syns reflektionerna tydligt. Vid ökande avstånd blir tidsskillnaden mellan vågen som rör sig längs jordytan och jonosfärreflektionen mindre (Cooray 2015, s 154-155). De radiofrekvenser som propagerar genom jonosfärreflektion återfinns främst inom frekvensbandet kallat VLF-området (3kHz−30kHz) och kan färdas tusentals kilometer (Nag et al. 2015). Då detta frekvens-band innehåller mest energi används det ofta av blixtlokaliseringssystem, vilket beskrivs utförligare i avsnitt 4.3.
3.2
Mätning av elektriskt fält
Detta avsnitt beskriver grundprincipen för mätning av det elektriskt fält från blixtnedslag. Verkliga antenner kan konstrueras på en mängd olika sätt men följande avsnitt beskriver en teoretisk bild över principen bakom en vertikal antenn.
Mätning av elektriskt fält med en vertikal antenn kan beskrivas genom att man föreställer sig ett ledande objekt placerat på en viss höjd h ovanför ett jordplan i ett omgivande elektriskt fält riktat mot marken. Det elektriska fältet kommer förändra laddningsdistributionen i objektet i den bemärkelse att positiva laddningar kommer ansamlas i objektets undersida och negativa laddningar kommer attraheras mot fältets riktning på ovansidan. Om objektet sedan ansluts till jordplanet med en mycket tunn ledare så att bara en enstaka positiv laddning tar sig över till jordplanet, kommer objektet få en netto negativ laddning som kan uttryckas (Cooray 2015, s. 135-136):
Q = E × h × C (6)
där C är objektets kapacitans och E är det elektriska fältet. När det omgivande elektriska fältet förändras i tiden kommer laddningen på objektet variera vilket medför en ström till jordplanet i ledaren enligt (Cooray 2015, s. 136):
I(t) = h × Cs×dE(t)
dt (7)
Om ledaren ansluts till marken genom en resistor och kondensator i parallellkoppling, kommer spän-ningen över parallellkopplingen bero på komponenternas relativa impedans. Om resistansen R är mycket större än kondensatorns impedans ( 1
ωC) kommer spänningen över parallellkopplingen vara proportionell mot mot storleken hos det elektriska fältet, och om 1
ωC ≫ R kommer spänningen vara proportionell mot derivatan av det elektriska fältet. Beroende på vilka kombinationer av RC som väljs kan man antingen mäta det elektriska fältet eller dess derivata (Cooray 2015, s 137).
3.3
Mätning av magnetiskt fält
I enlighet med Faradays induktionslag kommer ett varierande magnetfält inducera en spänning i en sluten krets. Spänningen som induceras är proportionell mot slingans area samt tidsderivatan hos det magnetiska fältet. Då endast den komponent av det magnetiska fältet som är vinkelrät mot slingan kan
inducera spänning, krävs det tre stycken slingor vinkelräta mot varandra för att få med komponenterna för alla tre dimensioner. Det totala magnetiska fältet ges av
B(t)tot=qB2x(t) + B2y(t) + B2z(t) (8) (Cooray 2015, s. 140-141).
Spänningen som induceras i en strömslinga ges av Faradays lag: V = −ndΦ
dt (9)
där n är antalet varv i slingan och Φ är det magnetiska flödet som passerar genom slingan. Det magnetiska flödet ges av
Φ = B(t) · A · cos θ (10)
Där B(t) är det tidsvarierande magnetiska flödet, A är slingans inneslutna area och θ är vinkeln mellan loopens axel och den magnetiska komponenten av den elektromagnetiska vågen. Då den inducerade spänningen i slingan beror av en tidsderivata måste spänningen integreras för att bli proportionell mot magnetfältet. Den undre gränsen för frekvensbandet bestäms av tidskonstanten för integreringen, och det är därför lämpligt att ha en mycket längre tidkonstant än varaktigheten hos signalen man vill registrera. Om det finns externa elektriska fält i närheten som stör loopantennen kan det vara lämpligt att skärma den med en magnetisk sköld (Cooray 2014, s. 209-210).
4
Allmänt om blixtlokaliseringssystem
I föregående avsnitt beskrevs grundprincipen bakom jordblixtar och hur dessa genererar elektriskt fält. När sensorerna i blixtlokaliseringssystemet mäter dessa fält kan blixtens position samt andra pa-rametrar fastställas. Följande kapitel ger en övergripande bild av hur blixtlokaliseringssystem fungerar och vad som styr dess utformning.
4.1
Frekvensinehållets påverkan för BLS
I (Nag et al. 2015) beskrivs det hur blixtar producerar radiovågor i ett brett frekvensband i kom-bination med stor amplitudvariation, samt att vissa frekvensintervall är bättre lämpade än andra för detektering av blixtar. Designen av ett blixtlokaliseringssystem styrs av de processer man är in-tresserad av att detektera, därmed bör man utgå från de frekvensband där fenomenen av intresse finns. Val av frekvensband påverkar bland annat vad som är lämpligt avstånd mellan sensorerna i blixtlokaliseringssystemet. I (Nag et al. 2015) görs följande indelning över de olika frekvensområdena: • VLF (very low frequency): Frekvens 3-30 kHz, våglängd 1-100 km. Processerna inom blixten som kan registreras inom detta frekvensområde är huvudurladdning från jordblixt samt urladdningar inom molnet
• LF-MF (low frequency - medium frequency) : Frekvens 30 kHz - 3 MHz, våglängd 0.1-10 km. Processer som kan registreras är huvudurladdning från jordblixt, preliminär urladdning samt olika urladdningar inom molnet
• HF (high frequency): 3-30 MHz. Processer som kan registreras är olika urladdningsprocesser inom molnet och leaderprocesser.
• VHF (very high frequency): 30-300 MHz. Processer som kan registreras är nedbrytning av luften när den ledande blixtkanalen skapas, pilurladdningar, K-puls samt urladdningar inom molnet • IR/Optiskt område: 30-300 THz. Processer som kan registreras är heta strömförande luftkanaler.
4.2
Blixtlokaliseringssystemets parametrar
Blixtlokaliseringssystem kan bestämma tid och plats för urladdningar samt urladdningens egenskaper, vilket exempelvis är kategorisering av jord eller molnblixt, urladdningens polaritet och strömstyrka i blixtkanalen. För att utvärdera blixtlokaliseringssystemets prestanda kopplade till dessa parametrar används följande mått (Nag et al. 2015):
• Osäkerhet vid klassificering av urladdning - Hur väl systemet urskiljer om urladdningen är en moln eller jordblixt.
• Detektionsgrad (DE) - Detektionsgraden är hur stor andel av de faktiska urladdningar som BLS detekterar. Studier har visat att DE är beroende av den maximala strömstyrkan hos en ur-laddning, där DE ofta ökar i relation till ökande strömstyrka (Jacques 2011). Ett BLS kommer aldrig detektera alla blixtar vilket kan bero på exempelvis problem vid datorkommunikation, sensorfel eller att sensorerna i nätverket inte har inte har optimal placering. Förutom blixtloka-liseringssystemet i sig finns även stora variationer hos de fysikaliska egenskaperna hos jordblixtar vilket gör det svårt att konstruera system som detekterar alla variationer av jordblixtar (Pinto 2009, s. 33).
• Mätosäkerhet positionering - Hur blixtlokaliseringssystemets uppskattning av urladdningens position skiljer sig i förhållande till den faktiska nedslagsplatsen (Nag et al. 2015).
• Mätosäkerhet maximal strömstyrka och polaritet - Hur väl uppskattad strömstyrka av BLS stämmer överens med de faktiska strömstyrkan (ibid.).
4.3
Långdistans BLS - f
(V LF −HF )Markbaserade BLS som opererar i VLF-LF området ses normalt som långdistanssystem. Radiofre-kvenserna i VLF-området har störst energiinnehåll, med våglängder på mellan 10-100 km som kan färdas tusentals kilometer då de propagerar genom jonosfärreflektion (Nag et al. 2015). För BLS som ska täcka stora geografiska områden kan det därmed vara lämpligt att använda VLF-området. Nack-delen med att endast använda VLF-spektrumet är att detta område har begränsad information om urladdningen vilket medför att det inte går att urskilja om urladdningen är en moln- eller jordblixt, be-stämma blixtens polaritet eller uppskatta maximal urladdningsström (Pinto 2009, s. 27). De elektriska strömmar som skapas vid blixturladdningar och genererar pulser av radiovågor i VLF bandet kallas atmosferics eller kortfattat sferics. Varaktigheten hos sferics är typiskt 1-10 ms och dess elektriska fält kan nå storlekar på 1 V/m även på långa avstånd över 1000 km (Barr et al. 2000). Intensiteten hos radiovågor i VLF-regionen från blixtar kan approximeras enligt sambandet I ∝ 1
R inom ett område på flera 100 km från nedslagspunkten (Betz et al. 2008).
4.4
Kortdistans BLS - f
V H FBlixtlokaliseringssystem som använder sig av VHF-området (30-300 MHz) och ännu högre frekvenser, ses generellt som kortdistanssystem. Anledningen till detta är att radiovågorna i detta frekvensband inte propagerar genom jonosfärreflektion och detta medför att radiovågorna måste detekteras ”direkt” av sensorn. Detektering av radiovågor i HF området blir en blandning mellan signaler som detekteras direkt och signaler som propagerat genom jonosfärreflektion (Nag et al. 2015). Om endast VLF-spektrumet används blir de detekterade våglängderna (λV LF = 1km − 10km) så långa i relation till blixtkanalen att endast en position för urladdningen kan fastställas. Om en jordblixt detekterats brukar denna position approximeras som nedslagsplatsen. Om istället VHF används är de detekterade våglängderna tillräckligt korta i förhållande till blixtkanalen att det är möjligt att göra en avbildning av hela blixtkanalen i tre dimensioner(Rakov och Uman 2003, s. 555). Förutom att avbilda blixtkanalen i tre dimensioner kan VHF-området också användas för att detektera molnblixtar i större utsträckning. I vissa fall används både VLF, LF och VHF-banden inom ett BLS, för att då kunna detektera alla typer av blixtar (Pinto 2009, s. 27).
För att effektivt kunna platsbestämma jordblixtar behöver multipla stationer användas. För blixtde-tekteringssystem som använder sig av multipla stationer är inte frekvensbandet direkt relaterad till noggrannhet för platsbestämning av jordblixtar. De bästa VLF och VHF systemen har en noggrannhet i storleksordningen hundra meter. Med multipla stationer är ett frekvensband mellan enstaka Hz till några kHz tillräckligt för att kunna detektera urladdningar i en blixt (Rakov och Uman 2003, s. 555).
4.5
Teknik för Blixtlokalisering
I detta avsnitt beskrivs de två vanligaste teknikerna som används av blixtlokaliseringssystem, vilka är time of arrival och magnetisk pejling. Dessa tekniker kan användas enskilt eller i kombination med varandra.
4.5.1 Time of arrival
TOA, eller time of arrival, är en teknik som används av blixtlokaliseringssystem för platsbestäm-ning av blixtar. Tekniken baseras på att man mäter absolut tid tills att ett fördefinierat område av det elektromagnetiska fältet som genererats från blixten träffar sensorn. Det område som vanligtvis används är det maximalt uppmätta elektriska fältet och när sensorn detekterar denna del av fältet sätts en tidsstämpel för blixten (Pinto 2009, s. 29). Om två sensorer som befinner sig på olika platser detekterar samma blixt, kommer respektive sensor att sätta varsin tidsstämpel för blixten. Utifrån tidsskillnaden mellan tidsstämplarna och sensorernas position kan man definiera en hyperbolisk kurva. Har man fyra stationer kan tre hyperboliska kurvor tas fram, och genom att undersöka skärningspunk-ten för kurvorna kan man fastställa en unik position i tre dimensioner förutsatt att inte alla sensorerna är placerade längs en linje (Wanke et al. 2014).
Noggrannheten hos TOA-tekniken är beroende tidssynkroniseringen mellan sensorerna. Nu för tiden används GPS-teknik vilket gör det möjligt att sätta mycket exakta tidsstämplar och medför låg fel-marginal vid platsbestämning. De vanligaste TOA-baserade blixtlokaliseringssystemet använder sig av minsta kvadratanpassning för att bestämma platsbestämma urladdningen(Pinto 2009, s. 29). Ex-empelvis används minsta kvadratanpassning i Blitzortung-systemet (Wanke et al. 2014).
När de elektriska fälten propagerar över stora avstånd påverkas radiovågornas form. Radiovågorna går från en skarp puls till att med ökande avstånd spridas ut till ett vågtåg med en varaktighet på 1 ms eller mer. Amplituden hos vågtåget stiger sakta vilket medför svårigheter att definiera exakt när tidsstämpeln för TOA-beräkningarna ska sättas. För att avhjälpa detta kan man beräkna time of group arrival (förkortning: TOGA) för hela vågtåget och på så sätt få en större noggrannhet för tidsstämpeln (Dowden et al. 2002).
4.5.2 Magnetisk pejling
Magnetisk pejling kan användas genom att använda två strömslingor som är placerade vinkelräta i förhållande till varandra. Beroende på storleken hos den vinkelräta komponenten av det magnetflöde som innesluts i varje slinga går det att bestämma riktningen hos den vertikala strömkälla som gav upphov till magnetflödet. Detta medför att den inducerade spänningen i slingan är proportionell mot det magnetiska fältet i respektive riktning (Pinto 2009, s. 28).
Varje par av sensorer ger olika positionering av nedslag till följd av stokastiska fel, oftast orsakade av ledande objekt i sensorns närhet. Med anledning av detta behövs minst tre sensorer för att ha en möjlighet att fastställa en entydig position. En lämplig metod för att hitta den mest sannolika unika positionen, är att använda minsta kvadratanpassning för att minimera felet från observerad data (Pinto 2009, s. 29).
5
Blitzortung
Blitzortung-projektets mål är att skapa ett billigt högpresterande världstäckande blixtlokaliseringsnät-verk bestående av ett stort antal stationer, med ett inbördes avstånd på 50-250 km. Blitzortungsyste-met använder sig av time of arrival- samt time of group arrival-teknik med GPS-timing och opererar i VLF-området. Stationerna i nätverket är anslutna till internet och skickar uppmätta signaler till centrala beräkningsservrar som beräknar position och andra parametrar för de detekterade urladd-ningarna (Wanke et al. 2014). För närvarande består Blitzortung-systemet av mer än 500 stycken stationer i världen som är sammanlänkade och bildar Blitzortungs nätverk (Blitzortung - Cover your arean.d.)
Figur 1: Översikt - Blitzortungsystemets parametrar
En Blitzortungstation innehåller en mottagarenhet med antenner för mätning av elektriskt fält samt en antenn för GPS-signal. Själva mottagarenheten är standardiserad och skiljer sig endast mellan olika generationer Blitzortungmottagare. De olika generationerna är system GREEN, system RED och system BLUE som är den typ som använts i detta arbete. Blitzortungnätverket innehåller aktiva stationer från alla generationer, och den version som i dagsläget är till försäljning är system BLUE som lanserades våren 2016. Till skillnad mot mottagarenheten skiljer sig utformningen av antenner mellan olika Blitzortungstationer då det är upp till den som upprättar en station att konstruera lämpliga antenner (Blitzortung - Cover your area n.d.).
Alla som är involverade arbetar ideellt och vem som helst kan bli medlem i nätverket genom att sätta upp en fungerande station som kontinuerligt skickar den mätdata som registreras. I övrigt finns inga avgifter förknippat med att delta i nätverket, bortsett från priset för hårdvaran. Positioneringsdata är tillgänglig i råformat förbehållet att man som stationsägare har en aktiv station som kontinuerligt laddar upp data till nätverket. Stationsägaren är fri att använda rådata för alla icke-kommersiella syften (Wanke et al. 2014).
Nätverket byggs automatiskt ut då användare sätter upp stationer där det förhållandevis låga priset för en station (≈ 200 euro) underlättar för expanderingen av nätverket. Denna modell för medlemskap i nätverket medför en nackdel då det inte finns någon kvalitetskontroll över hur enskilda användare implementerar sina system. Detta kan medföra att vissa deltagare på grund av okunskap konstruerar direkt felaktiga konstellationer, som i sin tur inverkar negativt på nätverkets prestanda. Fördelen med avsaknaden av krav för att upprätta ännu en station i nätverket innebär dock troligtvis att fler stationer upprättas. Det finns ett uttalat önskemål att blivande medlemmar i Blitzortungnätverket främst är personer med intresse av meteorologi och kunskaper inom elektronik och datavetenskap,
men trots denna önskan finns inga förkunskapskrav på (Wanke et al. 2014)
5.1
Blitzortungstationen
I följande avsnitt beskrivs en Blitzortungstation där första delen ger en övergripande bild över vilka komponenter som ingår i en station. Därefter beskrivs själva mottagarenheten och dess ingående delar i detalj samt vad som händer i mottagarenheten då en blixt detekteras. I Figur 2 illustreras en Blitzortungstation och dess huvudkomponenter:
• Antenner - Blitzortungstationen har möjlighet att använda två typer av antenner. En för mag-netisk fältstyrka (H-fält) och/eller antenn för mätning av elektrisk fältstyrka (E-fältsantenn). • Mottagarenhet - själva huvudenheten med moderkortet
• GPS-antenn
• Internetanslutning via ethernet-uttag
• Strömtillförsel nätaggregat 5V av typen mobilladdare
Föregående version Blitzortung-mottagare (system RED) skiljer sig till viss del från den nuvarande version (system BLUE). Den stora skillnaden är att system BLUE kommer är mer komplett från fabrik, vilket innebär att färre komponenter behöver monteras av användaren (Blitzortung - Cover your arean.d.).
Grundkomponenten i mottagarenheten är den mikrokontroller som styr själva registreringen av blix-tar i stationen. Mikrokontrollen baseras på en 32-bit ARM Cortex-M4F processor och har 1 MB flashminne, 192 KB RAM samt en klockfrekvens på 168 MHz. Den innehåller tre stycken 12-bit analog-digtal konvertrar med en maximal samplingsfrekvens på 1 MHz. En DMA-kontroller används så att den digitala signalen kontinuerligt kan sparas i internminnet. För att stationen ska känna igen blixtar utifrån vågformen hos den uppmätta signalen finns ett antal kriterier uppsatta. Användandet av DMA-kontroller möjliggör att man kan läsa in samplingar som sparats i internminnet precis innan kriteriet för blixtdetektering uppnåtts. Mottagarens GPS-modul är baserad på 1PPS-teknik (en puls per sekund), vilket möjliggör absolut tidsmätning (med en avvikelse på tiotals nanosekunder) som är ett grundkrav vid användning av time of arrival-tekniken. Till GPS-modulen behövs en extern antenn som ansluts via SMA-kontakt (Wanke et al. 2014).
För både E-fält och H-fältsantennen finns två förstärkningssteg vilka består av en förförstärkare som monteras på själva antennen, samt en huvudförstärkare i själva mottagarenheten. Huvudförstärkar-na har olika karaktär beroende på antenntypen (E eller H-fält) och förförstärkarHuvudförstärkar-nas egenskaper be-ror på vilken typ av låg/högpassfilter som används, aktuell implementering av OP-förstärkare osv. I nuvarande modell av Blitzortung-mottagare (system BLUE) är förstärkarenheterna som används standardiserade och optimerade för de antenntyper som rekommenderas. Detta medför att vågformen för de uppmätta signalerna och tidsfördröjningen blir mer entydiga mellan olika stationer. Om den hårdvarumässiga tidsfördröjningen inte är identisk mellan olika Blitzortung-stationer skulle det leda till stora fel vid beräkning av position för urladdningar eftersom Blitzortung är baserat på time of arrival-teknik (beskriven i 4.5.1) (Wanke et al. 2014).
Figur 2: Huvudkomponenterna hos Blitzortungstationen 5.1.1 Händelseförlopp vid detektering av blixt
I (Wanke et al. 2014) förklaras vad som händer i en Blitzortungstation när en urladdning detekteras och en översiktlig bild över händelseförloppet beskrivs nedan:
1. Det elektriska fältet från blixten inducerar en liten ström i antennen. 2. Signalen förstärks och filtreras sedan i förstärkarenheterna.
3. Därefter skickas signalen vidare till den integrerade mikrokontrollern, som har en referensspän-ning på 0-1.5V.
4. Signalen förskjuts +1.5 V och adderas till input hos A/D (analog-digital) konvertern som är integrerad i trackerns inbyggda mikrokontroller. I A/D konvertern samplas signalen med en frekvens på ≥ 500 kHz, varpå värdet sparas i ett register.
5. En DMA-kontroller läser direkt värdena från registret och sparar dessa löpande i internminnet 6. Hela tiden jämförs samplingarna i A/D registret med ett tröskelvärde. Om registervärden skulle
7. Funktioner kopplade till avbrottet utvärderar aktuella 1PPS-tidsvärden och relevanta A/D samp-lingar från DMA:s minne.
8. Om kriterierna är uppfyllda filtreras signalerna och data innehållande information om den de-tekterade signalen skickas till beräkningsservern.
5.2
Antenner
I Blitzortung-stationen används antingen en antenn för att mäta elektrisk fältstyrka, magnetisk fält-styrka eller en kombination av båda (Richo 2016).
5.2.1 Elektriskt fält
Vid blixtdetektering kan man använda sig av en antenn som fångar upp den elektriska komponenten av det elektromagnetiska fält som genereras av en blixt. I Blitzortungprojektet används en vertikal ståltråd där den ena änden är direkt monterad på förförstärkaren. Förförstärkaren ansluts till huvud-kretskortet via en koaxialkabel (Wanke et al. 2014). Denna antenntyp kallas för whipantenn och är en form av monopolantenn. Vid en blixt förändras det elektriska fältet i omgivningen med tiden och därmed även laddningsdensiteten på monopolantennen. Detta medför att en ström kommer flyta i antennkretsen. Om antennens längd är mycket mindre än våglängden för det tidsvarierande elektris-ka fältet, kommer antennen agera som en elektris-kapacitiv spänningskälla där spänningen är proportionell mot storleken på det elektriska fältet (Cooray 2014, s. 205). Antennen ska vara riktad vertikalt ef-tersom det elektriska fält som genereras vid jordblixtar är riktat vertikalt mot marken. Detta medför att antennen är känslig för blixtar i alla horisontella riktningar. Motiveringen som uppges till varför Blitzortung använder sig av denna antenn är att detekterade signaler är relativt fria från brus på grund av resonansfrekvenser. Den är även billig att tillverka och det är möjligt att bestämma blix-tens polaritet. Dock är den mycket känslig för elektriska fält från omgivningen, vilket medför att den bör placeras utomhus eller på relativt öppna ytor (Wanke et al. 2014). Förutom begränsningarna i själva mätutrustningen är den övre gränsen av frekvensbandet beroende av antennens längd. Kra-vet är att antennlängden l måste vara mindre än en fjärdedel av den kortaste våglängden man vill mäta, annars kommer ström som induceras på olika ställen i antennen nå mätutrustningen på olika tidpunkter (Cooray 2014, s. 208). Antennlängden l för monopolen (längden på ståltråden) är ≈ 10cm enligt Wanke et al. (2014) och våglängden för en 30kHz våg är λ = c
f = 3·10
8
30·103 ≈ 10000 m, vilket
innebär att antennen kan ses som en kapacitiv spänningskälla eftersom våglängden är mycket längre än antennlängden ( λ >> l ) (Cooray 2014, s. 205).
5.2.2 Magnetisk fältstyrka - loopantenn
Blixtdetektering kan utföras genom att använda en antenn som är känslig för den magnetiska kompo-nenten hos de elektromagnetiska fälten från en blixt. Den konventionella antenntypen i Blitzortung-projektet är en så kallad loopantenn. I Blitzortung-systemet används olika typer av loopantenner, där några exempel från Blitzortung-kompendiet (Wanke et al. 2014) är följande:
• Ram-antenn: Två enkelledarkablar lindas ortogonalt mot varandra på en ram. Rekommenda-tionen är 25 m kabel som lindas 8 varv med en diagonal på 1 m vilket ger en effektiv area på 8 m2.
• Loopantenn av koaxialkabel: Rekommendationen är 20 m koaxialkabel av valfri impedans som lindas tre varv vilket ger en diameter på 1.8 m och en effektiv area på 2.54 m2.
• Ferritstavsantenn: Består av en slinga lindad på en ferritkärna, ofta ca 30 cm lång och ≈ 3 cm i diameter, vilket innebär att dess fysiska mått än betydligt mindre än tidigare nämnda loopantenner.
Då den inneslutna arean för ett varv hos ferritstavsantennen är mycket mindre än de tidigare nämnda loopantennerna, krävs det att ferritstavsantennen är lindad med många fler varv för att få en signalstyrka i samma storleksordning som de större loopantennerna. Lindningen medför att ferritstavens resonansfrekvens sänks vilket kan skapa problem om resonansfrekvensen hamnar under 100 kHz, vilket är för nära VLF området (3 kHz - 30 kHz).
5.3
Optimering av Blitzortungstationen
Förutom den fysiska konstruktionen av antenner, addering av filtersats och liknande finns även andra parametrar som kan justeras för Blitzortung-stationen. Genom att koppla upp sig mot stationen via ett lokalt nätverk kommer man åt Blitzortung-stationens web-interface. Där kan ett antal parametrar ändras för att optimera registreringen av de elektromagnetiska vågor från blixturladdningar. Några exempel är justering av tröskelvärden och gains samt hantering av aktuell firmware-version. Genom att förändra tröskelvärden och gains borde Blitzortung-stationen kunna optimeras för att antingen detektera kort- eller långväga blixtar. I web-interfacet finns även ett digitalt oscilloskop där de signaler som systemet detekterar visualiseras i realtid. Detta kan med fördel användas när den färdigbyggda Blitzortung-stationen med antenner ska placeras ut. Blitzortung-stationen är känslig för inverkan av lokala elektromagnetiska fält från exempelvis närliggande kraftledningar, tv-apparater och liknande. Genom att använda sig av live-oscilloskopet kan man se dessa störningar i realtid vilket underlättar för att hitta optimal placering av mottagarenhet och antenner (Wanke et al. 2014).
5.4
Blitzortungs osäkerhetsparameterar
För varje urladdning detekterad av Blitzortung finns förutom grundläggande information som tids-stämpel, latitud och longitud även två stycken parametrar givna för varje urladdning som möjligtvis kan kopplas för uppskattning av osäkerhet för positioneringen. Dessa parametrar är MDS - ”maximal deviation span in nano seconds” samt MCG - ”maximal circular gap in degrees”. Ingen ingående för-klaring finns för parametern MDS på www.Blitzortung.org eller i dokumentationen (Wanke et al. 2014). Dock representerar den troligtvis tidsavvikelse hos time of arrival-beräkningarna för nedslags-punkten, och därmed är relaterad till positioneringsosäkerheten. Den andra variabeln som möjligtvis kan kopplas till osäkerheten för positionering för Blitzortung är parametern MCG. Förklaringen från Blitzortung.org är följande ”maximal circular gap in degree (for example, 210 degree = the detectors are in a sector of 150 degree from the point of view of the impact position)”. Det är helt enkelt ett mått på den största cirkelsektorn i grader (◦) som inte ”täckts in” av en Blitzortung-station.
Figur 3: Förklaring av MCG - Röda punkter är Blitzortungstationer som detekterat urladdningen och MCG är den största uppmätta cirkelsektorn
6
SMHI:s Blixtlokaliseringssystem
För att utvärdera Blitzortungsystemet har mätningar från SMHI:s blixtlokaliseringssystem använts som referenssystem. I följande avsnitt ges en övergripande bild av SMHI:s blixtlokaliseringssystem.
6.1
Systemkonfiguration
SMHI:s nuvarande system har sin grund i de tidigare blixtlokaliseringssystemen LLP (som 1979 upp-rättades av Uppsala universitet och Försvaret), samt LPATS systemet som uppupp-rättades av SMHI 1986. De båda systemen baseras på olika tekniker och har därför lite olika egenskaper. LLP är bättre på korta avstånd och baseras på magnetisk pejling, medan LPATS är bättre på längre avstånd och baseras på time of arrival-tekniken (Isaksson et al. 2010). Under tidigt 90-tal utvecklade företaget Global Atmospherics, Inc.(som sedan köptes upp av Vaisala) en sensor som kombinerade magnetisk pejling och time of arrival-tekniken. Denna sensor har bättre prestanda än de tidigare systemen och endast två sensorer krävs för platsbestämning av detekterade urladdningar. Dessa sensorer kom att kallas för IMPACT (Improved Accuracy from Combined Technology) (Pinto 2009). Efter införandet av IMPACT -systemet har blixtlokaliseringssystemet fortsatt att utvecklats och består idag av en kombination av det äldre IMPACT -systemet och nyare sensorer från Vaisala, LS7000 och LS7001. I skrivande stund (dec 2016) pågår en uppgradering av systemet där de äldre sensorerna ska bytas ut mot de nyare LS7001. Både IMPACT och 7000 -serien opererar i LF-frekvensbandet och använder sig av magnetisk pejling och time of arrival (Ståhl 2016). Idag finns en beräkningsserver placerad i Norrköping, och de nio sensorerna illustrerade i Figur 5, är belägna i Vitemölla, Visby, Såtenäs, Väs-terås, Malung, Östersund, Umeå, Luleå och Kiruna (Isaksson et al. 2010). Förutom uppdateringen av sensorerna har det även skett uppgraderingar av beräkningsservern under år 2014, vilket medfört att data efter november 2014 inte är direkt jämförbar med tidigare data. (Förklaring till åsk- och blixtkartornan.d.)
Figur 4: Översikt - parametrar för SMHI:s system
SMHI:s blixtlokaliseringssystem ingår i ett nätverk kallat EUCLID (EUropean cooperation for LIght-ning Detection), vilket är ett samarbete med nationella BLS i Europa. EUCLID utgörs av 147 sensorer i 27 olika länder, inklusive våra grannländer Norge, Finland och Danmark. Deltagare i EUCLID har tillgång till realtidsdata från hela EUCLID att använda i sitt egna nätverk. Prestandan i termer av relativ detektionsgrad och positioneringsnoggrannhet uppges homogen över nätverket (EUCLID n.d.). SMHI använder idag främst sensordata i realtid från Norge, Finland och Danmark, Estland, Polen och Litauen. Totalt innefattas 43 sensorer, dock är inte alla i bruk. Detta innebär att SMHI:s system har god täckning i hela landet samt hög redundans ifall någon sensor skulle fallera (Ståhl 2016).
Figur 5: SMHI:s stationer
6.2
Prestanda
För varje registrerad urladdning uppskattas en felellips motsvarande 50 % konfidensintervall. Beräk-ningarna för felellipsen grundas på ett antagande att tids- och vinkelfel följer en Gaussisk distribution. För varje sensor bestäms regelbundet standardavvikelsen för tidsfelet och vinkelfelet, då dessa para-metrar ligger till grund för beräkning av felellipsen. Resultat från analys av blixtdata som registrerats under 2005 - 2014 visar att medianen för positioneringsfelet är 500 m eller mindre i princip hela Sveri-ge. Den relativa detektionsgraden visade sig vara 96 % detektionsgrad för blixtar och 70 % för enskilda urladdningar. De procentuella skillnaderna mellan uppskattad maximal strömstyrka av EUCLID mot direkt uppmätt strömstyrka i utrustat torn var ett medelfel på 19 % och ett medianfel på 18 % (Schulz et al. 2016).
7
Metod
I följande avsnitt beskrivs den metodik som använts för att genomföra utvärderingens olika delområ-den. Först beskrivs implementeringen av Blitzortungstationen vilket innefattar montering av motta-garenhet och konstruktion av antenner. Därefter beskrivs metoden för framtagandet av visualiserings-verktyget med motivering av designval. Slutligen beskrivs metoden för utvärderingen av Blitzortung-systemet där först tidigare studier i ämnet avhandlas. Därefter förklaras och motiveras valet av de metoder som använts i genomförandet av utvärderingen.
7.1
Implementering
Projektets första fas innefattade konstruktionen av en Blitzortung mottagarenhet som anslöts till Blitzortungs nätverk. Komponenterna för en komplett mätstation innefattar tre stycken kretskort och ett 30-tal elektroniska komponenter som kondensatorer, piezokristaller, etc. Upprättandet av stationen krävde även konstruktion av antenner för mätning av elektriskt fält. Något som kan vara värt att förtydliga är att den mätstation som byggdes inte hann vara delaktig i datainsamlingen för den blixtdata som användes i utvärderingen av systemen. Detta är inte något som anses vara avgörande för resultatet av utvärderingen, då mätstationen som byggdes endast är en nod i ett större nätverk. Den praktiska skillnaden hade varit att Blitzortung-nätverket hade haft ännu en station i Sverige, vilket hade kunnat ökat prestandan i stationens område.
7.1.1 E-fältsantenn
En E-fältsantenn konstruerades efter riktlinjerna i Blitzortung-kompendiet (Wanke et al. 2014). Denna utgörs av en kabel med ca 10 cm längd och med en area på minst 1 mm2som ska vara riktad vertikalt. Behållaren för antenn och förförstärkare konstruerades av en bit plaströr (ursprungligen avsedd för dragning av fiberoptik under jord) som sedan tätades i topp och botten.
7.1.2 H-fältsantenn
Enligt Blitzortung-kompendiet Wanke et al. (2014) finns flertalet förslag på möjliga konstruktioner av loopantenner. Valet föll på en "coax-loop", som består av en slinga med tre varv koaxialkabel där den yttre ledaren kapas så att endast den inre ledaren är strömförande. Tre varv med 1m diameter ger en effektiv area på 2.4m2 (Aef f = 3 · π·D2
4 ) vilket är i enlighet med rekommendationerna från kompendiet.
Det är möjligt att endast använda en slinga, men det innebär att blixtnedslag som inträffar i vinkelrätt relativt loopen inte kommer kunna registreras alls då ingen komponent av magnetflödet kommer gå genom loopen. Därför föll valet på att använda två slingor placerade vinkelrätt mot varandra, för att på så sätt kunna detektera blixtar i alla riktningar. För att kapsla in koaxialkabel-slingorna användes samma typ av rör som för E-fältsantennen, vilket formades till en cirkel och stagades upp. Därefter anslöts koaxialkabel-slingorna till förförstärkaren som placerades i ett vädertätat plastskåp i mitten av slingorna, se Figur 6. Respektive förförstärkare anslöts därefter med 25m sköldade nätverkskablar till mottagarenheten.
Figur 6: Vänster: E-fält/monopolantenn med förförstärkare. Höger: H-fält/loopantenn med förförstär-kare
7.2
Framtagning av visualiseringsverktyg
För att VB Energi ska kunna använda Blitzortungssystemet som hjälp i den dagliga driften har ett visualiseringsverktyg utvecklats. För att kunna korrelera nedslag i elnätet med information från ledningscentralen behöver visualiseringsverktyget ha följande egenskaper:
• Blixtar ska kunna filtreras i tiden på sekundbasis och visas på kartor innehållandes elnätets infra-struktur. Exempel kan vara kraftlinjesträckningar, fördelningsstationer, ställverk och liknande områden av intresse.
• Blixtdata ska uppdateras så nära realtid som möjligt för att man under åskväder ska kunna korrelera tidsstämpel och plats för nedslag med eventuella kraftlinor som kortslutits
• Det ska gå att modifiera (lägga till eller ta bort) infrastruktur i efterhand.
Med utgångspunkt från kravlistan utfördes efterforskningar kring hur visualiseringsverktyget lämpli-gast skulle kunna implementeras. Valet föll på att göra en en webbapplikation som körs i webbläsaren eftersom det medförde följande egenskaper:
• En webbapplikation kan enkelt användas på alla operativsystem utan att behöva installera någon programvara då den kan köras direkt i webbläsaren.
• Det finns sofistikerade verktyg för att kunna använda existerande karttjänster, däribland Leaflet (Agafonkin 2015) och OpenStreetMap (OpenStreetMap n.d.)
• Programmeringsspråket Python som användes för majoriteten av beräkningarna i avsnitt 7.3 kunde användas på serversidan.
7.3
Utvärdering av blixtlokaliseringssystem
I detta avsnitt beskrivs tillvägagångssättet som användes för att utvärdera Blitzortung-systemets prestanda.
Det finns olika metoder för att utvärdera blixtlokaliseringssystem och val av metod beror på studiens syfte. I (Kenneth L. Cummins n.d.) beskrivs följande metoder för utvärdering av blixtlokaliseringssy-stem:
• Rakettriggade blixtstudier innebär att man skickar upp en raket med en fastsatt wire, mot åskmolnet och på så sätt skapar en slags artificiell urladdning.
• Riggat torn/mast-studier innebär att mätutrustning placeras i höga objekt som ofta är utsatta för nedslag kan strömmen mätas direkt.
• Blixtstudier med hjälp av videokamera utförs genom att nedslag filmas och man kan därmed jämföra nedslagsplats och antal urladdningar med data uppmätt av BLS.
• Jämförande mätningar med olika BLS innebär att ett system utvärderas genom jämförande mätningar av ett annat system.
Den enda metod som ansågs vara praktisk genomförbar för utvärdering av Blitzortung-systemet var jämförande mätningar med ett annat blixtlokaliseringssystem. Då SMHI tillhandahöll blixtdata kunde deras blixtlokaliseringssystem användas som referens i utvärderingen. Fördelar med denna metod är att stor datamängd kan användas för jämförelsen, prestanda kan utvärderas som funktion av tid och plats samt går det att jämföra distribution av olika parametrar som maximal ström, polaritet multiplicitet osv. Nackdelar är att jämförelsen kommer vara relativ nätverken, och inte resulterar i absoluta mått (Kenneth L. Cummins n.d.). Eftersom jämförande mätningar endast ger relativa resultat, kräver detta att referenssystemet har god tillförlitlighet och prestanda. Utifrån informationen i avsnitt 6 kan antas att så är fallet. Även om referenssystemet har hög prestanda kvarstår dock det faktum att relativa mätningar inte kan likställas med absoluta mätningar, då man med säkerhet vet var den faktiska blixten slagit ned.
7.3.1 Jämförande mätningar - tidigare studier
I detta avsnitt beskrivs två exempel på tidigare studier inom ämnet, vilka även har använts som utgångspunkt för utvärderingen av Blitzortungssystemets prestanda.
I (Ward et al. 2008) utvärderades blixtlokaliseringssystemet NDLN™ (U.S National Lightning Detec-tion Network) genom jämförande mätningar med CGLSS (Cloud-to-Ground-Lightning Surveillance System) som referenssystem. NLDN™ är ett nationellt nätverk som täcker hela USA och bestod vid tidpunkten då studien utfördes av 113 st IMPACT ESP-sensorer placerade med ett avstånd på 200-350 km ifrån varandra. CGLSS-systemet är utformat för att täcka ett avgränsat område i Florida, USA och bestod vid studiens tidpunkt av sex st IMPACT ESP-sensorer. I studien jämfördes mätningar från systemen i det avgränsade området där CGLSS har högre prestanda (Ward et al. 2008).
För den jämförande analysen valdes de fyra dagar under sommaren 2005 och 2006 som CGLSS detek-terat flest urladdningar i samtliga riktningar i det avsedda området. Urladdningar mellan systemen
