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Optische Untersuchungen von Blitzeinschlägen in Verbindung mit Feldmessungen und Beurteilung von Blitzortungssystemen

Optical study of lightning strikes combined with electric field measurements and evaluation of lightning detection systems

Zusammenfassung

In diesem Beitrag wird ein optisches Blitzortungssystem vorgestellt, das in zwei Ausbaustufen an der Universität der Bundeswehr München entwickelt und dort aufgebaut wurde. Das im Folgenden als OLDS (Optical Lightning Detection System) bezeichnete System basiert auf einer Videokamera, die in einer Achse zu einem konvexen Spiegel montiert ist und so eine 360-Grad-Rundumsicht ermöglicht. Der eigentliche Ortungsvorgang basiert auf der Richtungsbestimmung mithilfe des aufgezeichneten Kamerabildes und auf der Entfernungsberechnung über die Laufzeit des Donners. Während der ersten Ausbaustufe wurde das Ortungssystem mit einer Messstation zur zeitlich synchronen Aufzeichnung des elektrischen Felds kombiniert. Die Kombination beider Systeme ermöglichte es, die Blitzdauer, die Anzahl der Teilblitze, die Pausenzeit zwischen zwei aufeinander folgenden Teilblitzen sowie die zugehörige maximale elektrische Feldstärke zu bestimmen. Während der zweiten Ausbaustufe wurden die Ortungsdaten des OLDS mit den Ortungsdaten des europäischen Blitzortungsnetzwerks EUCLID verglichen. Die mittlere Entfernung der Einschlagsorte zum OLDS betrug hierbei 5,6 km. Der Vergleich ergab, dass EUCLID die Blitze mit einer Wahrscheinlichkeit von 95 % und die Teilblitze mit einer Wahrscheinlichkeit von 94 % detektierte. EUCLID klassifizierte 84 % der Blitze korrekt als Erd-Blitze, während die verbliebenen 16 % fälschlicherweise als Wolke-Blitze klassifiziert wurden. Die Entfernungsabweichungen zwischen den von OLDS und EUCLID ermittelten Einschlagstellen waren mit 238 m für das arithmetische Mittel bzw. 171 m für das geometrische Mittel relativ gering.

Abstract

In this paper, we present an optical lightning detection system, which was developed and set up in two steps at the University of the Federal Armed Forces Munich. The system is called OLDS (Optical Lightning Detection System), and it is based on a single video camera, which is installed in an axis to a convex mirror (positioned above). This configuration enables a 360-degree view. For lightning detection, the system makes use of the camera image and the duration of the thunder in order to determine the direction and the distance respectively. During the first step, the system was combined with a system for electric field measurements synchronized in time. By combining the two systems, the duration of the flash, the number of strokes, the time interval between two consecutive strokes, as well as the magnitude of the electric field were able to be determined. During the second step, we compared the data of the OLDS with the data of the European lightning detection network EUCLID. The average distance between the strike points and the OLDS was 5.6 km. The comparison showed that EUCLID detects 95% of all flashes and 94% of all strokes. EUCLID correctly classified 84% of the flashes as ground flashes, the remaining 16% were falsely classified as cloud-to-cloud flashes. The differences between the strike points calculated by OLDS and EUCLID respectively were relatively small, with 238 m (arithmetic mean) and 171 m (geometric mean).

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Die Autoren danken Stephan Thern von Firma Siemens für die Bereitstellung der EUCLID Blitzortungsdaten.

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Heidler, F.H., Paul, C. & Schulz, W. Optische Untersuchungen von Blitzeinschlägen in Verbindung mit Feldmessungen und Beurteilung von Blitzortungssystemen. Elektrotech. Inftech. 139, 372–378 (2022). https://doi.org/10.1007/s00502-022-01021-4

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  • DOI: https://doi.org/10.1007/s00502-022-01021-4

Schlüsselwörter

  • Ortung
  • EUCLID
  • Optische Messung

Keywords

  • Detection
  • EUCLID
  • Optical measurement