專利名稱：閃電的探測(cè)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及閃電探測(cè)器。本發(fā)明具體涉及移動(dòng)閃電探測(cè)器，該
移動(dòng)閃電探測(cè)器配備有天線、放大器前端、A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號(hào) 處理器。本發(fā)明還涉及用于探測(cè)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(cè)。它們可以以20km/h到 40km/h的速度傳播，并且雷擊可以在雨云之前大于10km處發(fā)生， 并且也可以在雨云之后的同樣距離處發(fā)生。雖然云或氣象鋒面造成 了雷擊，但是很多最危險(xiǎn)的雷擊實(shí)際上發(fā)生在之前并沒有可見的雷 暴警告云出現(xiàn)的時(shí)候。因此，盡管系統(tǒng)僅在有害雷暴可見大約十分 鐘之前發(fā)出對(duì)于其可能性的警告，但是可以認(rèn)為這是主要的安全特 性。
很多人將從這樣的安全特性中獲益。對(duì)于某些人，它可能僅提 供每天希望知道的知識(shí)。然而，對(duì)于相當(dāng)數(shù)量的人來說，源自暴風(fēng) 雨以及閃電的威脅顯著地表現(xiàn)為以下形式增加的風(fēng)險(xiǎn)、財(cái)產(chǎn)損失 或甚至是致命的結(jié)果。閃電警告系統(tǒng)例如對(duì)于經(jīng)常在戶外的人來說 具有特別的重要性，并且對(duì)于飛行員、導(dǎo)航員等同樣如此。提供閃 電警告的系統(tǒng)甚至在天氣看起來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?br> 根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)，已知很多單一目的閃電探測(cè)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(cè)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(cè)器相比于例如移動(dòng)電話來說很大并且相對(duì)昂貴。而且，它們通常需要具有指 定的定向，例如放置在墻上或桌上，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實(shí)際的移動(dòng)使用。這些設(shè)備通常必 須被進(jìn)一步被垂直地定位，并且在對(duì)雷暴進(jìn)行可靠探測(cè)成為可能之 前保持?jǐn)?shù)分鐘的穩(wěn)定。
另外，現(xiàn)在還存在不太貴的低端閃電探測(cè)器，其在大小上完全 便于攜帶并且不需要指定朝向。然而，這些探測(cè)器極易受到電磁兼
容性(EMC)輻射的影響，并且因此很可能在城市場(chǎng)景或高速公路
等附近中引起虛假警報(bào)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明源自以下考慮即雷擊是單次閃光，除了可視信號(hào)和部 分可聽的壓力信號(hào)之外，該閃光還生成延展到多種波長(zhǎng)的短暫但強(qiáng) 烈的電磁脈沖。由雷擊引起的典型的電磁脈沖覆蓋10Hz和5GHz之 間的頻率，其在大約500Hz處具有峰值，即位于音頻頻率范圍中。 在10km的歸一化距離上，此類脈沖幅度在lkHz的帶寬中范圍從107 mV/m到lmV/m。電磁脈沖的最強(qiáng)信號(hào)是雷擊中的垂直電流引起的 感應(yīng)電場(chǎng)，并且這是用于探測(cè)閃電方位和距離的大型設(shè)備中測(cè)量的 最普通的參數(shù)。
然而，由于雷擊現(xiàn)象的復(fù)雜性，在幾百Hz或更低的極低頻(ELF) 范圍中還存在強(qiáng)信號(hào)，并且延伸至GHz范圍及以上還存在較弱信號(hào)。
眾所周知的事實(shí)是，電磁干擾(EMI)特性的確切特征以及時(shí)間 范圍在MHz范圍內(nèi)有kHz和Hz范圍的不同，因?yàn)檩p微不同的氣象 學(xué)機(jī)制引起了它們的不同。
然而，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，雷擊伴隨著可以在數(shù)公里的距離上識(shí)別的EMI脈沖。
作為EMI脈沖的結(jié)果，在鄰近區(qū)域內(nèi)，雷擊期間主要干擾RF 信道。由于雷擊所引起的EMI而對(duì)RF接收器的損害可以以靜電噪 聲(static)、?？ㄠ?click)、噼拍噪聲(scratches)、圖片千擾或聲音丟失之類的形式而體現(xiàn)在AM/FM無線電、TV或在供電線^各上。 可以在非常大的距離上感測(cè)由雷擊造成的RF信道擾動(dòng)。專用的大型 閃電探測(cè)器能夠在距離雷擊數(shù)百公里的距離上探測(cè)閃電擾動(dòng)，即所 謂的天電干擾(sferics)，即使這些探測(cè)器通常如本發(fā)明那樣通過測(cè) 量感應(yīng)電場(chǎng)來操作，而不是通過測(cè)量音頻或RF信號(hào)中的干擾來操 作。
已知普通的AM無線電在距雷擊高達(dá)30km或更遠(yuǎn)距離上受到 EMI擾動(dòng)，這甚至可以在音頻信號(hào)中直接聽到，類似于各種?？ㄠ暋?在比AM頻帶高的頻率(SW、 LW、 MW)上，信號(hào)通常由于大氣衰 減和不同原因的機(jī)制變得非常弱，但是在很大的距離上還是可探測(cè)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 波或作為使用調(diào)制的結(jié)果而立即消除了接收的RF信號(hào)中的電磁干 擾，但是本發(fā)明提出估計(jì)監(jiān)測(cè)的RF信道中的此類電磁干擾。如果探 測(cè)到的干擾看起來是由雷擊引起的，則可以向例如移動(dòng)電話的用戶 發(fā)出警告。例如，如果干擾超過了預(yù)定的閾值或者如果它具有屬于 雷擊特性的頻語(yǔ)，則可以假設(shè)該干擾是由雷擊引起的。只要打開RF 探測(cè)就可以打開閃電探測(cè)。
因此，本發(fā)明提供可以在例如蜂窩電話之類的移動(dòng)RF設(shè)備中實(shí) 現(xiàn)的新的安全特征。
雖然在很多情況中，對(duì)于探測(cè)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(cè)的成本和困難是令人理解的，但是 很多人應(yīng)該希望低成本感測(cè)系統(tǒng)，其可以與這些人已經(jīng)在任何情況 中都攜帶的設(shè)備進(jìn)行集成，特別是與移動(dòng)電話集成。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(cè)作為新功能集成。
在大部分已知的商用閃電纟笨測(cè)器中，在相比于RF頻率來說相對(duì) 低的頻帶中，即在音頻頻帶上探測(cè)來自于閃電的電磁信號(hào)。因?yàn)橐?動(dòng)RF設(shè)備中的音頻編解碼器通常將高達(dá)48 kHz帶寬上的信號(hào)放大 40dB到60dB,因此，音頻編解碼器還可以用于對(duì)來自于閃電探測(cè)前端的信號(hào)進(jìn)行方法和進(jìn)一步處理。音頻編解碼器還包含也可以用在
閃電探測(cè)中的高質(zhì)量的A/D轉(zhuǎn)換器。除了放大和A/D轉(zhuǎn)換之外，該 編解碼器中的數(shù)字音頻處理塊的某些部分可以用在閃電探測(cè)中的信 號(hào)處理中。
因此，根據(jù)本發(fā)明的第一方面，本發(fā)明基于使用作為閃電探測(cè) 器的移動(dòng)RF設(shè)備中的音頻編解碼器。
對(duì)于本發(fā)明的第一方面，因此提出閃電探測(cè)器是配備有音頻編 解碼器的移動(dòng)RF設(shè)備，從而該編解碼器的預(yù)放大器用于所探測(cè)的閃 電信號(hào)的放大，該編解碼器的A/D轉(zhuǎn)換器用于放大的閃電信號(hào)的A/D 轉(zhuǎn)換，并且從而該編解碼器的數(shù)字音頻處理單元用于該閃電探測(cè)的 信號(hào)處理。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，閃電探測(cè)前端與麥克風(fēng)并聯(lián)，從 而音頻編解碼器的麥克風(fēng)輸入由閃電探測(cè)和另 一個(gè)應(yīng)用共享。
在本發(fā)明的第二優(yōu)選實(shí)施方式中，將其他未被使用的麥克風(fēng)輸 入用作閃電l笨測(cè)前端接口 。
根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施方式，在閃電探測(cè)中使用移動(dòng)RF設(shè)備的 語(yǔ)音編解碼器，從而在語(yǔ)音編解碼器路徑中處理A/D轉(zhuǎn)換的閃電信 號(hào)，并且從閃電探測(cè)的角度，使用數(shù)字信號(hào)處理(DSP)方法來分析 由語(yǔ)音編解碼器探測(cè)并輸出的符號(hào)。
仍舊根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施方式，音頻編解碼器的所述放大路 徑與移動(dòng)RF設(shè)備的AM和/或FM無線電接收器結(jié)合用于閃電探測(cè)。
仍舊根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施方式，將所述閃電探測(cè)作為在兩個(gè) 或更多頻率信道上的探測(cè)的組合來執(zhí)行。
仍舊根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施方式，存在至少兩個(gè)可用于閃電探 測(cè)的麥克風(fēng)輸入，并且閃電探測(cè)至少在兩個(gè)不同音頻頻帶上執(zhí)行。
仍舊根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施方式，使用兩個(gè)位置上正交的天線 線圈以實(shí)現(xiàn)還可以探測(cè)雷擊方向的探測(cè)器。
仍舊根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施方式，RF設(shè)備包含在雷擊時(shí)確定移 動(dòng)RF設(shè)備的朝向的裝置。仍舊根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施方式，包括事件時(shí)間的探測(cè)到的雷 擊信息存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，以確定所述可能的雷擊與所述移動(dòng)設(shè)備之
間的距離。
仍舊根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施方式，移動(dòng)RF設(shè)備能夠在所述存儲(chǔ)
器中存儲(chǔ)從網(wǎng)絡(luò)接收的附加的氣象信息。
仍舊根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施方式，氣象信息可以顯示在顯示器
上，示出雷暴的強(qiáng)度、距離以及相對(duì)于雷暴的相對(duì)和真實(shí)方向。
以及#笨測(cè)閃電的方法的特性特征。
本發(fā)明允許利用移動(dòng)RF設(shè)備中的現(xiàn)有架構(gòu)、模塊和信令處理或 計(jì)算可能性來創(chuàng)建集成系統(tǒng)。
而且，當(dāng)移動(dòng)RF設(shè)備中的放大路徑以及優(yōu)選地還有音頻編解碼 器的其他部分用在閃電探測(cè)中時(shí)，因?yàn)殚W電探測(cè)不需要單獨(dú)硬件， 所以成本和所需空間顯著減少。


下面，將參考附圖更詳細(xì)地描述本發(fā)明，其中
圖l示出了根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)的示意性框圖2示出了由10km距離上的閃電引起的電磁信號(hào)的頻譜； 圖3是麥克風(fēng)輸入電路的示例性電路，從而該麥克風(fēng)電路可以
分成麥克風(fēng)和閃電探測(cè)前端；
圖4示出了在音頻頻率處實(shí)現(xiàn)的閃電探測(cè)前端；
圖5a到圖5c示出了可以如何使用兩個(gè)閃電探測(cè)天線線圏的實(shí) 現(xiàn)圖5a示出了在兩個(gè)不同頻率上的探測(cè)，圖5b示出了通過使用 兩個(gè)正交線圏進(jìn)行的^t笨測(cè)和方向估計(jì)，以及圖5 c示出了全方向探:測(cè)；
圖6示出了移動(dòng)RF終端中使用的專用(propriatory )端口 ，移 動(dòng)終端的可移動(dòng)功能性外殼以及用于閃電探測(cè)的電池充電線圏，和/ 或用于閃電纟笨測(cè)的RFID線圏；
圖7示出了閃電探測(cè)天線的兩個(gè)朝向，在圖7a中天線為垂直朝向并且在圖7b中天線為水平朝向；以及
圖8示意性地示出了模糊的前/后探測(cè)情況。
具體實(shí)施例方式
圖1是根據(jù)本發(fā)明的支持閃電警告的蜂窩通信系統(tǒng)的示意性框 圖。該系統(tǒng)可以例如是GSM系統(tǒng)。
蜂窩通信系統(tǒng)包括蜂窩電話10和蜂窩通信網(wǎng)絡(luò)的基站20。
蜂窩電話10包括接收RX天線11,其經(jīng)由RF模塊12連接到微 處理器13。蜂窩電話IO進(jìn)一步包括麥克風(fēng)14和揚(yáng)聲器15以及音頻 編解碼器16,該音頻編解碼器16用于形成音頻信號(hào)的音頻放大路 徑、A/D轉(zhuǎn)換和進(jìn)一步數(shù)字信號(hào)處理。微處理器13進(jìn)一步連接到顯 示器17。此顯示器可以劃分18用于多個(gè)應(yīng)用。蜂窩電話10可以額 外地包括電子羅盤19和劃分22用于多個(gè)應(yīng)用的存儲(chǔ)器21。另外， 蜂窩電話10包括未示出的，但是已知包括在傳統(tǒng)蜂窩電話中的組件。
如圖2所示，閃電輻射的大部分電磁能量在接近5kHz到10 kHz 的頻率上(即，音頻頻率)。因此，在相對(duì)低的頻率上執(zhí)行閃電探 測(cè)是合理的。然而，人造EMC水平在相同低頻上最高，但是將隨著 頻率快速衰減，因此有利的是使用稍高的閃電探測(cè)頻率，或者可選 地首先將較高的探測(cè)頻率下變頻到基帶，從而閃電探測(cè)可以發(fā)生而 免于受到人造EMC的干擾。
本發(fā)明是基于將移動(dòng)電話10的音頻編解碼器用作放大路徑，用 于閃電探測(cè)中閃電信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)字處理。該思想是使用音頻 編解碼器的輸入34連接天線(例如，線圈)或前端31,該前端31 包含閃電探測(cè)所需的多個(gè)組件或頻率轉(zhuǎn)換裝置。閃電探測(cè)前端31可 以與麥克風(fēng)并聯(lián)，從而音頻編解碼器35的麥克風(fēng)輸入32由兩個(gè)應(yīng) 用即閃電探測(cè)前端31和麥克風(fēng)14共享(參見圖3)。
可替換地，其他未被使用的麥克風(fēng)輸入可專用于閃電探測(cè)前端。 根據(jù)音頻編解碼的性能，在信號(hào)可以輸入到音頻編解碼器之前，在 閃電探測(cè)前端可能需要某些濾波和放大，從而獲得足夠的性能特性。來自于前端的模擬閃電探測(cè)信號(hào)在音頻編解碼器中放大并且進(jìn)
行A/D轉(zhuǎn)換。音頻編解碼器還包含模擬或數(shù)字濾波器。在A/D轉(zhuǎn)換 以及濾波之后，可以使用數(shù)字信號(hào)處理(DSP)方法來分析閃電探測(cè) 信號(hào)，并且關(guān)于探測(cè)的閃電的信息可以呈現(xiàn)在設(shè)備用戶界面上(即， 顯示器和/或揚(yáng)聲器)。
具有一個(gè)或多個(gè)麥克風(fēng)輸入的音頻編解碼器還可以通過由閃電 前端以及例如耳機(jī)附件共享輸入來使用。可替換地，閃電探測(cè)器前 端附件可能附接在用于耳機(jī)或免手持(hans-free)附件的同一I/0連 接器上(例如，POP端口 )。此類專用Nokia POP連接器如圖6中 63所示。所有可附接的Nokia POP端口附件可以包含電路(ACI芯 片)，其中存儲(chǔ)有為了該DSP的優(yōu)化使用所需的參數(shù)。通過使用ACI 中的參數(shù)，將DSP配置為更好地支持附接到POP端口上的附件的使 用。
可替換地，閃電探測(cè)器前端附件可能包含在便攜終端60的用戶 可移動(dòng)的功能性外殼62中，或者可以與使用電池充電單線圈61或 多線圏61進(jìn)行無接觸充電的電路嵌入在一起。
從實(shí)現(xiàn)角度來看， 一個(gè)重要的問題是在音頻頻率上閃電探測(cè)天 線的實(shí)現(xiàn)。通常，天線作為單獨(dú)的線圈來實(shí)現(xiàn)。然而，線圏需要很 大的面積和空間，因此關(guān)鍵的是找到在目標(biāo)設(shè)備中實(shí)現(xiàn) 一 個(gè)線圏/多 個(gè)線圈的有效方式。在本發(fā)明中，音頻編解碼器的放大路徑可以與 用于感應(yīng)電池充電的次級(jí)線圏(或多線圈)61結(jié)合使用。
閃電探測(cè)前端可以在音頻頻率上實(shí)現(xiàn)，例如如圖4中示出的。 該閃電探測(cè)天線線圈L和前端可以通過例如所呈現(xiàn)的拓樸來實(shí)現(xiàn)。 線圈L和電容C包括帶通濾波器，并且需要二極管D,和D2來保護(hù) 增益級(jí)免受太大電壓峰值的傷害。在可以將信號(hào)路由到音頻編解碼 器之前可能需要具有增益設(shè)置電阻R卩112的可選的可操作放大器級(jí) 41，以在整個(gè)放大路徑上獲得足夠的增益。
低端閃電探測(cè)器設(shè)計(jì)在探測(cè)頻率帶上通常具有76 dB的增益。因 為已知音頻編解碼器通常具有34到59.5 dB的增益，所以可能需要某些附加的放大以在整個(gè)放大路徑上達(dá)到充足的增益。然而，在沒 有音頻編解碼器的任何附加放大路徑的情況下，在音頻頻率上達(dá)到 用于閃電探測(cè)的足夠增益是可能的。
還可能在閃電探測(cè)中使用語(yǔ)音編解碼器。經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換的閃電信
號(hào)可以使用語(yǔ)音編輯碼器路徑進(jìn)行處理，并且從閃電探測(cè)的角度出
發(fā)，可以使用數(shù)字信號(hào)處理(DSP)方法來分析語(yǔ)音編解碼器探測(cè)和 輸出的符號(hào)。而且，音頻電路51、 52和語(yǔ)音編解碼器53的組合也 可以用于分析該閃電信號(hào)。在閃電探測(cè)中使用語(yǔ)音編解碼器的優(yōu)勢(shì) 在于，通常不會(huì)長(zhǎng)期不使用語(yǔ)音編解碼器并且因此可以增強(qiáng)它的利用率。
可替換地，音頻編解碼器的放大路徑可以結(jié)合AM或FM無線 電接收器用于閃電探測(cè)。盡管如上所述，本發(fā)明是基于音頻頻率上 的探測(cè)，但是通過使用下變頻器將高頻信號(hào)下變頻到音頻頻率也可 以在這些高頻，比如AM( 150 kHz -30MHz^。 FM( 876.5 - 108 MHz) 射頻頻率上進(jìn)行該探測(cè)?？梢詫?shí)現(xiàn)的優(yōu)化結(jié)果是作為在兩個(gè)或更多 彼此相距足夠遠(yuǎn)的頻率信道上進(jìn)行探測(cè)的組合。某些探測(cè)和距離測(cè) 量方法基于閃電噪聲在不同頻率上的不同衰減，并且因此兩個(gè)或更 多接收器的組合給出對(duì)距離雷暴中閃電活動(dòng)的距離的較好估計(jì)。
而且，通過使用AM或FM接收器前端，并且通過使用作為一 部分探測(cè)鏈的音頻編解碼(TX)路徑以及使用產(chǎn)生的編碼作為數(shù)字 信號(hào)處理(DSP )方法的輸入或?yàn)榇四康氖褂孟嗤幗獯a器的解碼路 徑(RX)來放大信號(hào)，可以探測(cè)來自于閃電的信號(hào)，從而探測(cè)和對(duì) 閃電信號(hào)進(jìn)行分類。
如果超過一個(gè)麥克風(fēng)輸入是可用的，則閃電探測(cè)可以在兩個(gè)不 同的音頻頻帶上進(jìn)行，這使探測(cè)和分析更準(zhǔn)確。參考示出實(shí)現(xiàn)原理 的圖5a。兩個(gè)正交定位的線圏54、 55可以用于實(shí)現(xiàn)還可以探測(cè)雷擊 方向的探測(cè)器(參見圖5b)。該方向探測(cè)是基于接收自正交線圈的 電平比較。另外，兩個(gè)線圏可以用于實(shí)現(xiàn)全方向閃電探測(cè)器(參見 圖5)。全方向探測(cè)器可以通過使用用于來自于線圏Ll和L2 54、55的信號(hào)的單獨(dú)信道來實(shí)現(xiàn)(比如圖5b),或者來自于兩個(gè)線圏的 信號(hào)可以相加58并且可以在濾波器59進(jìn)行可能的濾波之后作為一 個(gè)信號(hào)來分析，比如圖5c。當(dāng)然，來自于加法器56的相加的信號(hào)沒 有給出關(guān)于雷擊方向的任何信息。甚至當(dāng)使用如圖8所示的正交線 圏時(shí)，對(duì)方向的確定也是模糊的。如果從前向81或后向82接收到 信號(hào)，則在沒有額外天線的情況下，是不可能確定方向的。然而， 通過結(jié)合接收自網(wǎng)絡(luò)的氣象信息或通過僅要求用戶輸入風(fēng)向，可以 解決此模糊性。圖5a到5c中的一個(gè)線圈或兩個(gè)線圈還可以是感應(yīng) 充電線圈，比如圖6中的充電線圈61，或者可以是用于某些其他目 的的線圈，比如用于RFID目的的線圈。
在本發(fā)明中使用的音頻編解碼器可以是通常在移動(dòng)RF設(shè)備中 使用的類型，并且該音頻編解碼器可以在普通市場(chǎng)上獲得。此類音 頻編解碼器是例如具有麥克風(fēng)輸入級(jí)的UEME，該麥克風(fēng)輸入級(jí)包 括三個(gè)信號(hào)的輸入，3/1復(fù)用器和差動(dòng)麥克風(fēng)放大器和Texas Instruments的TLV320AIC23B,其是具有集成有耳機(jī)放大器的立體 聲音頻編解碼器。
本發(fā)明可以包含通過利用探測(cè)器設(shè)備的朝向改善設(shè)備的測(cè)量性 能以及電流消耗的思想。參見圖7，其中示出了水平朝向探測(cè)天線 72和垂直朝向探測(cè)天線73兩者。
由于環(huán)形天線的天線增益隨針對(duì)RF源71的角位置的函數(shù)而顯 著改變，所以探測(cè)器的朝向可以用于改善探測(cè)、測(cè)距和/或方向測(cè)量 性能。
實(shí)際上，所有已知的閃電探測(cè)設(shè)備都依靠對(duì)電磁場(chǎng)中的磁性分 量(H)進(jìn)行探測(cè)，存在一個(gè)線圏或兩個(gè)正交線圈用于接收雷擊輻射 的RF信號(hào)。由于來自于雷擊的輻射在低于50MHz的頻率上最強(qiáng)， 所以基本上只有可以集成到移動(dòng)設(shè)備中的接收天線備選是小型環(huán)形 天線。
線圏天線的 一個(gè)中心性質(zhì)是方向性式樣。該式樣看起來像圓環(huán) 74、 75，其軸線與鐵氧體磁芯軸線76平行。如果僅使用一個(gè)探測(cè)天線，該探測(cè)情況類似于圖7中的情況。相對(duì)于探測(cè)到的雷擊的角位
置變化引起感應(yīng)信號(hào)的10-30dB的變化。此變化發(fā)生在線圏軸線保 持水平時(shí)。如果該軸線垂直朝向，那么與優(yōu)化朝向相比，感應(yīng)信號(hào) 甚至小于30dB。
如果僅使用一個(gè)線圈天線，則距離估計(jì)(以及探測(cè)本身)中的 主要困難是根據(jù)輻射的接收方向改變天線增益。理論上，根據(jù)接收 角度，當(dāng)接收到來自于閃電的RF輻射時(shí)，增益可以從OdB(角度 是0°或180° )到例如-30dB (角度90°或270。)。如果天線增 益顯著改變(在兩個(gè)連續(xù)測(cè)量之間)并且不存在位置信息，則很難 發(fā)現(xiàn)(通過僅使用一個(gè)線圈天線)幅度變化是否取決于風(fēng)暴和探測(cè) 器之間的輻射距離改變，或幅度變化是否是由引起天線增益變化的 探測(cè)器的角度改變引起的。
此實(shí)施方式描述了具有至少 一個(gè)磁性線圈的手持設(shè)備以及確定 該設(shè)備朝向的某些方法。該方法也可以是手工的(需要用戶為設(shè)備 確定朝向)。使用組合提供對(duì)閃電源的更好的距離估計(jì)(并且也可 能支持方向查找)。
當(dāng)朝向已知時(shí)，可以解決或至少最小化線圈的方向性問題。而 且，朝向的快速改變可以用于探測(cè)不可能進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量的狀態(tài)。
本發(fā)明的思想是利用閃電探測(cè)器設(shè)備的位置、朝向和/或運(yùn)動(dòng)信 息來補(bǔ)償用于探測(cè)來自于雷擊的RF輻射的天線的非理想性。由于來 自于雷擊的RF輻射主要是垂直極化的并且在低頻(低于100 MHz) 上最強(qiáng)烈，所以小型環(huán)形天線在接收低頻RF脈沖的使用中是最具有 空間效率的方案。高方向性是小型環(huán)形天線的一個(gè)典型特性，并且 因此接收信號(hào)的電平根據(jù)天線相對(duì)于源的朝向而劇烈改變。
其他朝向極為難以實(shí)現(xiàn)，那么當(dāng)設(shè)備嚴(yán)重移動(dòng)(即天線增益改變很 快)或設(shè)備的朝向不適于探測(cè)(即，天線增益很小)時(shí)，探測(cè)雷擊 是不合理的。例如，在這些環(huán)境中，可以關(guān)閉閃電探測(cè)器以節(jié)省電 力，并且在設(shè)備保持靜止或者從閃電探測(cè)的角度來看處于更優(yōu)化的朝向時(shí)可以繼續(xù)進(jìn)行探測(cè)。實(shí)際上，如果識(shí)別設(shè)備的方向信息不是至關(guān)重要的。最簡(jiǎn)單的 方式可以是通過使用磁力計(jì)或加速器傳感器來測(cè)量朝向，這些傳感 器將以與圖1中磁通量閘門羅盤19相同的方式集成到移動(dòng)探測(cè)器上。 對(duì)于實(shí)際使用，應(yīng)該對(duì)此羅盤進(jìn)行傾斜補(bǔ)償，從而允許在不同于水 平平面的平面上使用而不損失方向準(zhǔn)確性。另一個(gè)可行的可替換方案是從作為用戶輸入的用戶界面獲取指示，該指示從閃電探測(cè)的角 度出發(fā)指明了如何為設(shè)備確定朝向，并且從而當(dāng)從網(wǎng)絡(luò)接收到的氣 象信息可用時(shí)，與此附加信息相關(guān)聯(lián)。本實(shí)施方式的基本思想可以在很多獨(dú)立的實(shí)施方式中使用，并 且以下實(shí)施方式描述不同的探測(cè)原則。該列表以最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)示例 開始并且在實(shí)施方式列表的最后列出了更復(fù)雜的組合。小型環(huán)形天他源(即，來自于用戶)的指示設(shè)備朝向或位置的信息以各種方式 使用。在最筒單的可能實(shí)施方式中，朝向和/或運(yùn)動(dòng)探測(cè)器用于確定設(shè) 備是否是靜止的。僅在設(shè)備是靜止的條件下執(zhí)行測(cè)量，因?yàn)檫@樣的 話增益是常數(shù)。本發(fā)明最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)僅利用探測(cè)器是否保持靜止的信息。由于 線圈天線的輻射式樣具有方向性，所以如果設(shè)備正在移動(dòng)，則不能 認(rèn)為探測(cè)環(huán)境是恒定的。如果例如對(duì)簡(jiǎn)單閃電探測(cè)算法的實(shí)現(xiàn)需要 設(shè)備是靜止的，比如在某些商用閃電指示器中，其中需要關(guān)于探測(cè) 器設(shè)備運(yùn)動(dòng)的指示。以關(guān)閉該探測(cè)特征。另一個(gè)可替換的方案是保持在觸發(fā)模式，其中 僅探測(cè)閃電式脈沖并且例如靜態(tài)條件下進(jìn)行距離估計(jì)。如果一個(gè)或兩個(gè)線圈天線用于接收來自于雷擊的RF輻射，則可 以定義從探測(cè)角度出發(fā)的優(yōu)化位置。優(yōu)化朝向可以是線圈天線的軸 線水平時(shí)的朝向。這意味著由于最強(qiáng)的輻射是垂直極化的，如果天線線圈的軸線接近于垂直，并且雷擊信道和天線線圈之間的耦合很 小(或來自于雷擊信道的耦合源自于比垂直信道分量更不一致的水 平信道部分)，則不值得測(cè)量或探測(cè)雷擊。在實(shí)際情況中，當(dāng)該設(shè)備以其一側(cè)置于口袋/包中時(shí)(在該情況中，在主要信號(hào)到達(dá)的方向上是零)，這意味著例如禁用2D設(shè)備(即僅包含一個(gè)線圈的探測(cè)器)。在更先進(jìn)的實(shí)現(xiàn)中(即，包括帶有兩個(gè)獨(dú)立接收信道的兩個(gè)正 交線圏)，如果探測(cè)朝向是難以實(shí)現(xiàn)的，則可以關(guān)閉其中一個(gè)信道。如圖7b中所示，線圏天線的軸線垂直時(shí)的朝向從閃電探測(cè)的角 度來看不是最有用的。雷擊信道通常是垂直的并且因此可以將來自 于雷擊的RF輻射主要看作垂直極化。如果線圈天線的軸線不是水平 的，則耦合的信號(hào)強(qiáng)度可以通過使用角度進(jìn)行補(bǔ)償。通過具有用戶界面的移動(dòng)設(shè)備，可能建議用戶優(yōu)選地移動(dòng)設(shè)備 并且確定設(shè)備的朝向。優(yōu)化朝向是干擾最小的朝向。這假設(shè)存在本 地干擾源(例如熒光燈)。換言之，對(duì)該探測(cè)器設(shè)備進(jìn)行定位，從 而干擾源處于與線圈軸線平行的方向上。如果需要更準(zhǔn)確的距離估計(jì)，則可以建議用戶將探測(cè)器保持在 兩個(gè)正交的方向上。這實(shí)際上僅使用一個(gè)線圏建立了 "虛擬正交線 圈對(duì)"。在單線圈實(shí)現(xiàn)中，在兩個(gè)不同位置上，例如根據(jù)兩個(gè)連續(xù) 的雷擊估計(jì)該距離。測(cè)量情況類似于圖7中描述的情況。建議探測(cè)設(shè)備保持在兩個(gè) 正交的朝向上，如圖7a和圖7b所示。對(duì)于連續(xù)雷擊足夠準(zhǔn)確的距 離測(cè)量所需的算法可能需要在兩個(gè)朝向上的多個(gè)探測(cè)到的雷擊。根 據(jù)該估計(jì)和探觀'J算法建議用戶對(duì)他的設(shè)備重新確定朝向。如果閃電探測(cè)器使用兩個(gè)(或甚至是三個(gè))正交線圈作為接收 天線，則雷擊的方向信息可能是可用的。然而，如果僅使用來自正 交線圈的偶合信號(hào)的關(guān)系，那么通過僅使用兩個(gè)正交線圈對(duì)風(fēng)暴進(jìn) 行的方向測(cè)量存在180。的不確定性(參見圖7，如果雷擊發(fā)生在位 置81或82，則探測(cè)的信號(hào)相似)。通過使用三個(gè)線圏，方向信息可以是可用的。
如果探測(cè)器能夠定義針對(duì)雷擊或風(fēng)暴中心的方向信息，那么該 探測(cè)的方向信息可以用于在連續(xù)測(cè)量期間采集設(shè)備的朝向數(shù)據(jù)，并 且可以更精確地給出針對(duì)雷擊的方向。
對(duì)于克服定義雷擊方向中180°的不確定性， 一個(gè)建議是，在很
多情況中，如果可以定義雷擊沒有發(fā)生的方向(83和84)，則已經(jīng) 具有足夠的信息。另一個(gè)可替換的方案是輸入風(fēng)向。在任一情況中， 如果用戶向方向83或84移動(dòng)，則他/她可以最大可能地避免接近風(fēng) 暴或獲得更多的時(shí)間需找掩蔽處。當(dāng)然，方向估計(jì)可以在風(fēng)暴接近 或離開的稍后時(shí)間更新。
一個(gè)實(shí)施方式使用兩個(gè)模式觸發(fā)模式，不論何時(shí)發(fā)現(xiàn)任何干 擾都啟動(dòng)該模式(至少可以是閃電相關(guān)的千擾)。然后，該觸發(fā)模 式啟動(dòng)真實(shí)感測(cè)模式，并且如果需要，選擇性地改變顯示模式。通 知用戶以正確地對(duì)設(shè)備確定朝向(例如，平》文在桌子上)。僅當(dāng)此 朝向正確時(shí)才進(jìn)行距離估計(jì)。
如果假設(shè)用戶處于或多或少的勻速運(yùn)動(dòng)中，那么該角度覆蓋所 有可能的角度并且消除增益參數(shù)。對(duì)于良好的統(tǒng)計(jì)估計(jì)而言，這需 要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。此情況更簡(jiǎn)單的版本是讓用戶在桌子上將蓋設(shè)備 旋轉(zhuǎn)若干次，以便覆蓋大部分角度。特別地，使用戶將設(shè)備保持在 一個(gè)朝向上一段時(shí)間，然后將其改變90度，這允許覆蓋最小和最大 的增益。
最終，可以將前端集成到移動(dòng)RF設(shè)備中，但是它也可以是獨(dú)立 的指示設(shè)備或者它甚至可以被集成到該RF設(shè)備的外部，例如集成在 如圖6中所示的所謂功能性外殼62中。此類包含閃電探測(cè)前端31
的用戶可改變功能性外殼可以作為附件出售。
對(duì)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 不限于上述示例，但是它們可以在所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)改變。
權(quán)利要求
1. 一種移動(dòng)閃電探測(cè)器，其中所述探測(cè)器配備有天線、放大器前端、A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號(hào)處理器，其特征在于所述閃電探測(cè)器是配備有音頻編解碼器的移動(dòng)RF設(shè)備，從而所述編解碼器的預(yù)放大器用于所探測(cè)的閃電信號(hào)的放大，所述編解碼器的所述A/D轉(zhuǎn)換器用于所放大的閃電信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換，并且從而所述編解碼器的數(shù)字音頻處理單元用于所述閃電探測(cè)的信號(hào)處理。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動(dòng)閃電探測(cè)器，其特征在于，所述 閃電探測(cè)前端與麥克風(fēng)并聯(lián)，從而音頻編解碼器的麥克風(fēng)輸入由所 述閃電探測(cè)和另 一 個(gè)應(yīng)用來共享。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動(dòng)閃電探測(cè)器，其特征在于，將其 他未被使用的麥克風(fēng)輸入用作閃電探測(cè)前端接口 。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動(dòng)閃電探測(cè)器，其特征在于在閃電 探測(cè)中使用移動(dòng)RF設(shè)備的語(yǔ)音編解碼器，從而利用所述語(yǔ)音編解碼 器路徑處理經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的閃電信號(hào)，并且從閃電探測(cè)的角度出發(fā)， 在DSP中對(duì)所述語(yǔ)音編解碼器所輸出和探測(cè)的符號(hào)進(jìn)行分析。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動(dòng)閃電探測(cè)器，其特征在于，音頻 編解碼器的所述放大路徑與移動(dòng)RF設(shè)備的AM和/或FM無線電接收器結(jié)合用于閃電探測(cè)，從而利用下變頻器將這些高頻信號(hào)下變頻 到音頻頻率。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動(dòng)閃電探測(cè)器，其特征在于，存在 至少兩個(gè)可用于所述閃電探測(cè)的麥克風(fēng)輸入，并且所述閃電探測(cè)至 少在兩個(gè)不同音頻頻帶上執(zhí)行。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動(dòng)閃電探測(cè)器，其特征在于，將所 述閃電探測(cè)作為在兩個(gè)或更多頻率信道上的探測(cè)的組合來執(zhí)行。
8. 根據(jù)權(quán)利要求I所述的移動(dòng)閃電探測(cè)器，其特征在于，使用 兩個(gè)位置上正交的天線線圈以實(shí)現(xiàn)還可以探測(cè)雷擊方向的探測(cè)器。
9. 一種用于通過移動(dòng)閃電探測(cè)器進(jìn)行閃電探測(cè)的方法，該移動(dòng) 閃電探測(cè)器配備有天線、放大器前端、A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號(hào)處理 器，其特征在于所述閃電探測(cè)器是配備有音頻編解碼器的移動(dòng)RF設(shè)備，從而所 述編解碼器的預(yù)放大器用于所探測(cè)的閃電信號(hào)的放大，所述編解碼器的所述A/D轉(zhuǎn)換器用于所放大的閃電信號(hào)的A/D 轉(zhuǎn)換，以及從而所述編解碼器的所述數(shù)字音頻處理單元用于所述閃電探測(cè) 的信號(hào)處理。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述閃電探測(cè)前 端與麥克風(fēng)并聯(lián)，從而音頻編解碼器的麥克風(fēng)輸入由所述閃電探測(cè) 和另一個(gè)應(yīng)用來共享。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，將其他未被使用 的麥克風(fēng)輸入用作閃電探測(cè)前端接口 。
12. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于在閃電探測(cè)中使用 移動(dòng)RF設(shè)備的語(yǔ)音編解碼器，從而利用所述語(yǔ)音編解碼器路徑處理 經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換的閃電信號(hào)，并且從閃電探測(cè)的角度出發(fā)，在DSP中 對(duì)所述語(yǔ)音編解碼器所輸出和探測(cè)的符號(hào)進(jìn)行分析。
13. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，音頻編解碼器的 所述放大路徑與移動(dòng)RF設(shè)備的AM和/或FM無線電接收器結(jié)合用 于閃電探測(cè)，從而利用下變頻器將這些高頻信號(hào)下變頻到音頻頻率。
14. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，存在至少兩個(gè)可 用于閃電探測(cè)的麥克風(fēng)輸入，并且所述閃電探測(cè)至少在兩個(gè)不同音 頻頻帶上執(zhí)行。
15. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，將所述閃電探測(cè) 作為在兩個(gè)或更多頻率信道上的探測(cè)的組合來執(zhí)行。
16. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，使用兩個(gè)位置上 正交的天線線圈以實(shí)現(xiàn)還可以探測(cè)雷擊方向的探測(cè)器。
17. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的移動(dòng)閃電探測(cè)器，其特征在于，另外， 兩個(gè)線圏可以用于實(shí)現(xiàn)全方向閃電探測(cè)器，從而所述全方向探測(cè)器 可以通過使用單獨(dú)的信道實(shí)現(xiàn)，或者可以將來自于兩個(gè)線圏的信號(hào) 相加并且作為一個(gè)信號(hào)來分析。
18. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，另外，兩個(gè)線圈可以用于實(shí)現(xiàn)全方向閃電纟笨測(cè)器，乂人而所述全方向#:測(cè)器可以通 過使用單獨(dú)的信道實(shí)現(xiàn)，或者可以將來自于兩個(gè)線圏的信號(hào)相加并 且作為一個(gè)信號(hào)來分析。
19. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動(dòng)閃電探測(cè)器，其特征在于，所述 RF設(shè)備包含確定所述移動(dòng)RF設(shè)備的朝向的裝置。
20. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，在所述方法中， 包括通過使用探測(cè)器設(shè)備的所述方向?qū)λ鲈O(shè)備的測(cè)量性能和電流 消耗進(jìn)行改善。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，朝向和/或運(yùn)動(dòng) 探測(cè)器用于確定所述設(shè)備是否是靜止的，并且所述測(cè)量?jī)H在所述設(shè) 備是靜止時(shí)執(zhí)行。
22. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，包括事件時(shí)間 的所探測(cè)到的雷擊信息存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中，用于確定所述可能的雷擊 與所述移動(dòng)設(shè)備之間的距離。
23. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述移動(dòng)RF 設(shè)備能夠在所述存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)從網(wǎng)絡(luò)接收的附加氣象信息。
24. 根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，所述氣象信息 可以顯示在顯示器上，以示出雷暴的強(qiáng)度、距離以及針對(duì)該雷暴的相對(duì)和真實(shí)方向。
25. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動(dòng)閃電探測(cè)器，其特征在于，所述 前端集成到所述移動(dòng)RF設(shè)備上。
26. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動(dòng)閃電探測(cè)器，其特征在于，所述 前端是獨(dú)立的指示器設(shè)備或在外部集成的所述RF設(shè)備，例如在所謂 的功能性外殼中。
27.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動(dòng)閃電探測(cè)器，其特征在于，至少 一個(gè)指示器線圏是用于某些其他目的的一個(gè)或多個(gè)感應(yīng)充電線圈。
全文摘要
一種用于閃電探測(cè)的閃電探測(cè)器和一種閃電探測(cè)方法，其中移動(dòng)閃電探測(cè)器配備有天線、放大器前端、A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號(hào)處理器，并且其中該閃電探測(cè)器是配備有音頻編解碼器的移動(dòng)RF設(shè)備，從而該編解碼器的預(yù)放大器用于所探測(cè)的閃電信號(hào)的放大，該編解碼器的A/D轉(zhuǎn)換器用于所放大的閃電信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換，并且從而該編解碼器的數(shù)字音頻處理單元用于該閃電探測(cè)的信號(hào)處理。
文檔編號(hào)G01W1/16GK101287993SQ200580051826
公開日2008年10月15日 申請(qǐng)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·蘭塔瑪基, 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 申請(qǐng)人:諾基亞公司