Técnicas avanzadas para el tratamiento y procesamiento de señales de campos electromagnéticos generados por rayos

Los rayos son transitorios de alta corriente cuya energía es radiada desde las bajas frecuencias hasta algunos cientos de MHz. Estas descargas eléctricas son consideradas como una de las fuentes de perturbación electromagnética más severas, pueden afectar equipos y sistemas eléctricos, electrónicos y de comunicaciones y, en caso, extremo pueden causar la muerte de personas y animales. Durante varias décadas, el estudio de los rayos se ha basado en la medición remota de los campos eléctricos y magnéticos generados durante el proceso de la descarga (LEMF). Estas mediciones se han convertido en una de las herramientas más útiles en la investigación de los rayos y su estudio ha permitido entender buena parte de los procesos que se desarrollan durante este fenómeno atmosférico. No obstante, dichos registros de campo eléctrico y magnético siempre están distorsionados por ruido y otras componentes indeseadas. Esta situación afecta la interpretación de las características de la forma de onda y dificultan su caracterización en el dominio del tiempo y en el dominio de la frecuencia. Esta tesis presenta una discusión sobre un conjunto de nuevas técnicas que facilitan la reducción de ruido y permiten un adecuado análisis tiempo-frecuencia sobre señales de campo eléctrico y campo magnético radiadas por los return strokes de flashes nube-tierra (CG). Las técnicas de reducción de ruido se basan en el desarrollo de filtros adaptativos en el dominio de la transformación de Fourier fraccionaria discreta (DFRFT) y en la combinación de la aproximación local polinomial (LPA) con el algoritmo de intersección de intervalos de confianza (ICI). Por su parte, se propone desarrollar el análisis-tiempo frecuencia usando la transformación polinomial de Fourier (LPFT), la cual es una representación tiempo-frecuencia que utiliza en su kernel una función polinomial para describir las características de frecuencia instantánea (IF) de señales de fase variante en el tiempo. Para facilitar la comprensión de las técnicas propuestas se presenta una revisión teórica ilustrando sus propiedades, ventajas y desventajas. Así mismo, se proponen un conjunto de algoritmos necesarios para su implementación computacional, evaluando su complejidad y tiempo de cómputo requerido. Los resultados muestran que las técnicas de reducción de ruido basadas en la DFRFT y LPA-ICI tienen mejor desempeño y proporcionan mejores resultados que aquellos obtenidos con métodos convencionales como la FT, los filtros lineales FIR y varios métodos robustos basados en la transformación de wavelets discreta (DWT), los cuales han sido presentados y validados en otras investigaciones. Por su parte, el estudio reveló que la aplicación de la LPFT sobre las señales de LEMF mejora la concentración de energía, aumenta la resolución de los periodogramas y reduce los errores en la estimación de la IF. Además, el uso de esta técnica de procesamiento permite identificar componentes adicionales de media frecuencia (a partir de 50 kHz y superior) que no son observadas usando técnicas convencionales como la transformación de Fourier de corto tiempo (STFT) y la transformación de wavelets (usada en trabajos previos). Estas bandas de frecuencia, aunque poseen baja energía, son intensificadas al aumentar el orden polinomial. La prueba y validación las técnicas propuestas fueron realizadas usando registros de campo eléctrico y magnético capturados por diferentes sistemas de medición instalados en Colombia (2004, 2013 y 2016) y Sri Lanka (2016). Estas mediciones permitieron analizar el comportamiento de 509 flashes CG y caracterizar los parámetros temporales y espectrales de 1385 return strokes capturados en el rango de 0 a 250 km. Adicionalmente, a partir de las mediciones y del procesamiento (filtrado y análisis tiempo-frecuencia) de los registros disponibles se realizaron comparaciones con diferentes regiones del mundo. Estas comparaciones mostraron que, aunque Bogotá se encuentra localizada en una latitud cerca de la línea del Ecuador, los flashes y los return strokes medidos en la ciudad y sus alrededores exhibe un comportamiento diferente al reportado en las regiones tropicales, subtropicales y templadas. Estas diferencias son más notorias en algunos parámetros de los flashes CG negativos (porcentaje de flashes con un solo stroke, multiplicidad promedio, duración del flash e intervalo entre strokes), así como algunos parámetros de los return strokes (valor máximo del campo eléctrico, tiempo de frente, tiempo de cruce por cero y el sobrepico de polaridad opuesta). La variación de estos parámetros se puede deber a la localización geográfica de Bogotá (región montañosa) y sus condiciones climáticas.

• Autores: Rojas Cubides, Herbert Enrique
• Tipo de recurso: Doctoral thesis
• Fecha de publicación: 2018
• Institución: Universidad Nacional de Colombia
• Repositorio: Universidad Nacional de Colombia
• Idioma: spa
• OAI Identifier: oai:repositorio.unal.edu.co:unal/63729
• Acceso en línea: https://repositorio.unal.edu.co/handle/unal/63729; http://bdigital.unal.edu.co/64225/
• Palabra clave: 6 Tecnología (ciencias aplicadas) / Technology; 62 Ingeniería y operaciones afines / Engineering; Análisis tiempo-frecuencia; Aproximación local polinomial; Campo eléctrico; Campo magnético; Procesamiento de señales; Rayos nube-tierra; Transformación local polinomial de Fourier; Cloud-to-ground lightnings; Return strokes; Electric field; Signal processing; Local polynomial approximation; Local polynomial Fourier transform; Magnetic field; Noise reduction; Time-frequency analysis
• Rights: openAccess
• License: Atribución-NoComercial 4.0 Internacional