Los rayos de nube a tierra son la principal causa de transitorios, fallos y cortes en el sistema de transmisión y distribución de energía eléctrica en áreas propensas a descargas atmosféricas. Igualmente, los rayos son causantes de interferencia electromagnética que afecta los dispositivos electrónicos. Estos problemas han sido mejorados en cierta medida con el desarrollo de sistemas de localización de rayos (LLS): Dichos sistemas son capaces de determinar la localización, intensidad, y el movimiento de las tormentas eléctricas en tiempo real, así mismo puede ayudar a localizar daños causados por los rayos durante una tormenta eléctrica. El sistema de detección de rayos suministra información de interés para autoridades de tráfico aéreo, servicios meteorológicos, servicios forestales, minería y petróleo, áreas de investigación geofísica y aplicaciones forenses.

Colombia es un país ubicado en una de las zonas de mayor actividad eléctrica atmosférica del planeta, el trópico. Estudios experimentales muestran que la densidad promedio de ocurrencia de descarga eléctricas al año en el trópico es de aproximadamente de 60 a 80 rayos/km² al menos 5 veces mayor a lo detectado en zonas templadas. Estos estudios realizados bajo la hipótesis de la variación espacio temporal de los parámetros del rayo, comprueban experimentalmente que el nivel ceráuneo, la densidad de descargas a tierra y la corriente pico, medidas en Colombia y el trópico son en general mayores a lo detectado en otros lugares del mundo.

Por esta razón en Colombia se demanda un estudio particular de este fenómeno natural, bajo el diseño de una red de localización de rayos, donde los sensores antena dipolo como receptor del campo eléctrico y loop antena como receptor de campo magnético sean combinados en una sola antena, a diferencia de los sistemas presentes en el país que cuentan con estos sensores por separado. La combinación de dipolos magnéticos y eléctricos generan un acople electromagnético que modifica la impedancia de entrada del sistema. Además, al variar las dimensiones del receptor de campo magnético y su posición con respecto al dipolo eléctrico, es posible obtener una mejor adecuación de entrada en comparación con el dipolo eléctrico y, en consecuencia, un ancho de banda más grande. Con este propósito, dicha antena debe ser diseñada, simulada y validada bajo el análisis del amplio espectro de frecuencias, en el cual es emitida la energía electromagnética irradiada por los rayos.

Antecedentes

Las descargas atmosféricas se pueden dividir en dos categorías: las que golpean el suelo (nube-tierra) y las que no lo hacen (nube-nube). Ambos fenómenos irradian energía electromagnética en un amplio rango de frecuencias. La mayor parte de esta energía está contenida en impulsos de alta frecuencia que se caracterizan por los amplios tiempos de subida (40-60 ms) y duración en el dominio del tiempo. Estas emisiones pueden clasificarse dentro del espectro electromagnético como Very Low Frequency (VLF), Low Frequency (LF) y Very High Frequency (VHF) debido a la distribución de energía producida por la descarga. En el momento en que se produce la descarga eléctrica ocasiona fuertes emisiones en la banda VHF, como consecuencia de la generación de canales de aire ionizado que permite la propagación de corriente de forma reiterativa y a gran velocidad.K Cummins and M Murphy, “An Overview of Lightning Location Systems: History, Techniques, and Data Uses, Whit an In-Depth Look at the U.S. NLDN” in IEEE transactions on electromagnetic compatibility, Vol. 51, No. 3, 2009.

Una vez que el canal de aire ionizado se establece entre la nube y el suelo, se convierte en una ruta de menor resistencia, permitiendo mayor propagación de corriente desde la tierra a la nube. Este fenómeno es conocido como impactos de retorno (return strokes) y es el que más intensidad luminosa posee, siendo una de las partes más notables de la descarga del rayo. Conjuntamente produce la mayor radiación de energía electromagnética dentro de las bandas VLF y LF.] D. J. Malan, Physics of Lightning. London, U.K.: The English Univ. Press, 1963, p. 176. Al igual que las descargas nube-tierra, las descargas nube-nube producen decenas o cientos de pequeños pulsos con la mayor parte de su energía en el rango de LF. Dadas estas diferencias en la tasa y amplitud de la radiación electromagnética son implementadas diversas técnicas para la detección de los múltiples procesos que ocurren dentro de las descargas atmosféricas E. P. Krider, C.Noggle, A. E. Pifer, andD. L.Vance, “Lightning direction finding systems for forest fire detection,” Bull. Amer. Meteorol. Soc., vol. 61, pp. 980–986, 1980. como se ilustra en la figura. Los impulsos transitorios con polarización vertical en el rango LF y VLF se propagan a lo largo de la superficie de la tierra, siendo utilizados para detectar y localizar impactos de retorno en descargas nube-tierra. Los sensores que operan en el rango de LF y VLF también son utilizados para detectar pulsos de gran intensidad producidos en las descargas nube-nube; estos sensores pueden detectar y localizar un rayo a grandes distancias ya que las señales de VLF pueden propagarse cientos de kilómetros, gracias a la reflexión en la ionosfera y la tierra.

thumb|Técnicas de localización y frecuencias de operación

Los sensores que operan en la banda VHF son sensibles a los procesos que ocurren tanto en la descarga nube-nube, como nube-tierra. Sin embargo dado que las señales de VHF tienden a ser limitadas por la línea de propagación (línea de vista), los sistemas de detección para dichas señales tienen un rango limitado. Por otro lado la propagación en línea de vista junto con el hecho que los impulsos a esta frecuencia son muy cortos, permite que las fuentes de VHF puedan ser modeladas como fuentes puntuales y situadas con precisión en dos o tres dimensiones. V. A. Rakov, “Modern passive lightning locating systems,” Meteorol. Gidrol., vol. 11, pp. 118–123, 1990.

Tanto las descargas nube-nube y nube-tierra (CG) son detectables en cualquiera de los espectros VHF o LF, teniendo en cuenta las diferencias que existen en la naturaleza de las señales para cada banda de frecuencia, así como en las técnicas de detección para cada tipo de señal. Las técnicas más empleadas para este propósito son: Dirección de llegada basada en interferometria (DF) y Tiempo de Llegada (TOA).

Métodos Electromagnéticos de Detección de Rayos

Tiempo de Llegada (Time Of Arrival TOA)

thumb|Técnica de localización TOA. La Diferencia de tiempo de llegada entre pares de antenas es ilustrado por una hiperbola. La intersección de las hiperbolas determina la localización de la fuente .

Time Of Arrival (TOA) es una técnica de detección de rayos basada en la medición de los tiempos de llegada de las emisiones provenientes de la fuente electromagnética en un número determinado de sensores ubicados en diferentes lugares. El método de localización de las fuentes de emisión se basa en diferencias en el tiempo de llegada entre pares de antenas. Lo anterior, a causa de la propagación de las señales VHF a lo largo de una línea de visión directa entre el emisor y la antena. Esta técnica de localización es intrínsecamente tridimensional. La figura muestra una representación bidimensional de esta técnica de localización.

La mayor dificultad presente en esta técnica reside en la identificación coherente y correlación de los numerosos impulsos presentes entre los diversos sensores del sistema de detección. Debido a que las emisiones pueden estar separadas por un período eventualmente más corto que la distancia entre los sensores (distancia línea de base). Por lo tanto la secuencia de impulsos puede no llegar a cada sensor en el mismo orden, complejizando el proceso de identificación. La solución estándar es utilizar líneas de base relativamente cortos para minimizar este efecto, requiriendo una cantidad significativa de información redundante para determinar la ubicación de la fuente de emisión (6 o más mediciones, para determinar 3 coordenadas espaciales y el tiempo). En términos prácticos, las líneas de base típica son de unos 30 km de largo y prevén resolución inequívoca de emisiones separadas por al menos 100 us. J.-Y. Lojou, M. J. Murphy, R. L. Holle, and N. W. S. Demetriades, “Nowcasting of thunderstorms using VHF measurements,” in Lightning: Principles, Instruments and Applications, H.-D. Betz, U. Schumann, and P. Laroche, Eds. Dordrecht, NL: Springer-Verlag, 2008.

Dirección de Llegada Basada en Interferometria

thumb|Interferometria. La distancia entre las antenas se hace muy pequeña, la intersección entre las hipérbolas tiende a una línea recta correspondiente a la dirección de la fuente .

Interferometria en la banda VHF es una técnica de detección basada en la medida de las diferencias de tiempo entre pares de antenas, pero con una distancia entre las antenas del orden de magnitud de una longitud de onda. En ese caso, la desigualdad de tiempo puede determinarse como una diferencia de fase y así, el sistema aprovecha la repetitividad temporal de la señal con el fin de integrar un gran número de pulsos, logrando una mayor precisión en la medición. De este modo, la única suposición es que la fuente no cambia de dirección aparente a lo largo del tiempo de integración. V. A. Rakov, “Electromagnetic Methods of Lightning Detection”, in Surveys in Geophysics, Vol. 34, Issue 6, pp. 731-753, 2013.

La figura ilustra una representación de esta técnica de localización, donde las hipérbolas tendrán una de sus ramas paralelas entre sí, dando así acceso a la dirección de la fuente de la radiación. La diferencia máxima de tiempo para este sistema será de aproximadamente 3 nanosegundos ya que los sensores son más cercanos entre sí logrando una precisión angular de aproximadamente un grado.

Principio de Interferometria

La interferometría consiste en determinar la dirección de la fuente de radiación con una combinación de medidas de fase en un ancho de banda angosto. La antena se compone de una matriz de dipolos de VHF y está conectado a un receptor que es capaz de determinar las diferencias de fase en un amplio rango dinámico. La diferencia de fase se obtiene mezclando las señales provenientes de varias antenas, ya sea juntas o con un oscilador local, para luego ser integradas en el dominio del tiempo. El paso final consiste en el procesamiento de las diferencias de fase con el fin de obtener un azimut de una red bidimensional (2D), o azimut y elevación de una red tridimensional (3D) de la fuente que produce la radiación. El procesador central recibe la información de varios sensores y localizar cada evento de forma individual por triangulación. E. Defer, P. Blanchet, C. Thery, P. Laroche, J. E. Dye, M. Venticinque, and K. L. Cummins, “Lightning activity for the July 10, 1996, storm during the stratosphere-troposphere experiment: Radiation, aerosol, and ozone-a (STERAO-A) experiment,” J. Geophys. Res., vol. 106, no. D10, pp. 10151–10172, 2001.

En el caso de la detección de la descarga atmosférica es difícil hablar de un interferómetro como tal, pues se trata de una sola fuente de radiación. Por definición, la interferometría consiste en la observación de las interferencias creadas por varias fuentes coherentes. Pero la forma en que la fuente de radiación es observada desde varios puntos se combina para producir información angular de la fuente estudiada.