Vývoj, implementácia a testovanie algoritmov pre meranie elektromagnetických signálov detegovaných na palube stratosférického balóna nad búrkovými oblasťami

• Název práce v jazyce práce (slovenština): Vývoj, implementácia a testovanie algoritmov pre meranie elektromagnetických signálov detegovaných na palube stratosférického balóna nad búrkovými oblasťami
• Název práce v češtině: Vývoj, implementace a testování algoritmů pro měření elektromagnetických signálů detekovaných na palubě stratosférického balónu nad bouřkovými oblastmi
• Název v anglickém jazyce: Development, implementation and testing of algorithms for measurements of electromagnetic signals detected onboard a stratospheric balloon above thunderstorms
• Klíčová slova: bleskové výboje|šíření elektromagnetických vln|strojové učenie
• Klíčová slova anglicky: lightning discharges|radio wave propagation|machine learning
• Akademický rok vypsání: 2021/2022
• Typ práce: bakalářská práce
• Jazyk práce: slovenština
• Ústav: Katedra fyziky povrchů a plazmatu (32-KFPP)
• Vedoucí / školitel: prof. RNDr. Ondřej Santolík, Dr.
• Řešitel: Bc. Samuel Amrich - zadáno a potvrzeno stud. odd.
• Datum přihlášení: 19.10.2021
• Datum zadání: 25.10.2021
• Datum potvrzení stud. oddělením: 13.12.2021
• Datum a čas obhajoby: 21.06.2023 09:00
• Datum odevzdání elektronické podoby: 11.05.2023
• Datum odevzdání tištěné podoby: 11.05.2023
• Datum proběhlé obhajoby: 21.06.2023
• Oponenti: Mgr. Petr Kašpar, Ph.D.
• Konzultanti: Ing. Ivana Kolmašová, Ph.D.

Zásady pro vypracování

1) Studium literatury a sepsání přehledu měření elektromagnetických signálů pozorovaných v souvislosti s bleskovou aktivitou;
2) Seznámení se s programovatelnými hradlovými poli a jejich programováním;
3) Analýza širokospektrálních pozemních měření elektromagnetických signálů emitovaných bleskovými výboji a vytvoření testovací sady záznamů;
4) Návrh palubních algoritmů pro výběr a předzpracování zajímavých událostí;
5) Ověření funkčnosti palubních algoritmů pomocí testovací sady záznamů z pozemních měření.

Seznam odborné literatury

Rakov , V. A. and M. A. Uman (2003), Lightning – Physics and effects, Cambridge University, Press, ISBN:9780521583275.
Corray, V., (2015) An Introduction to Lightning, Springer, ISBN 978-94-017-8938-7.
Kolmašová, I., Santolík, O., Farges, T., Cummer, S. A., Lán, R. & Uhlíř, L. (2016). Subionospheric propagation and peak currents of preliminary breakdown pulses before negative cloud-to-ground lightning discharges, Geophys. Res. Lett., 43, 1382–1391. doi:10.1002/2015GL067364
Chen, A. B., C.-L. Kuo, Y.-J. Lee, H.-T. Su, R.-R. Hsu et al. (2008), Global distributions and occurrence rates of transient luminous events, J. Geophys. Res., 113, A08306, https://doi.org/doi:10.1029/2008JA013101.

Další časopisecká literatura dle dohody s vedoucím práce.

Předběžná náplň práce

Z oblastí s intenzivní bleskovou aktivitou se šíří elektromagnetické signály v širokém pásmu frekvencí. Tyto signály jsou vyzařovány nejen během vývoje bleskových výbojů, ale své elektromagnetické stopy zanechávají také nadoblačné přechodné světelné jevy (TLE – Transient Luminous Events), jako jsou např. elfové či skřítci. Analýza elektromagnetických signálů vyzařovaných bleskovými výboji a s nimi souvisejícími jevy se používá ke zkoumání jejich vlastností. Signály pocházející z bouřek lze zaznamenat radiovými přijímači umístěnými na pozemních observatořích, balonech či družicích. Design radiových přijímačů a předzpracování naměřených dat je vždy třeba přizpůsobit rozsahu frekvencí zaznamenávaných signálů, charakteru zkoumaných jevů a umístění přijímače. V případě balónových či družicových měření bývá množství dat přenášených na zem významně omezeno. Z tohoto důvodu jsou balónové a družicové přijímače vybaveny algoritmy pro efektivní výběr a předzpracování zajímavých dat. Pro implementaci algoritmů se používají programovatelná hradlová pole. Na rok 2024 je plánován start francouzského stratosférického balonu STRATEOLE pro pozorování projevů bouří v rovníkové oblasti z výšky okolo 20 km. Na jeho přípravě se podílejí dvě francouzské laboratoře Laboratoire d'aerologie v Toulouse a Laboratoire de Physique et de Chimie de l'Environnement et de l'Espace v Orleans. Součástí plánovaného palubního přístrojového vybavení je širokospektrální přijímač radiových vln. Přenos dat z balonu na zem bude zprostředkován satelitem Iridium a bude velmi omezen, ovšem s možností povelování v průběhu mise, jejíž předpokládaná doba trvání bude několik měsíců.
     
Cílem bakalářské práce bude vývoj palubních algoritmů pro výběr a předzpracování dat naměřených přijímačem na palubě balonu STRATEOLE, implementace algoritmů do programovatelného hradlového pole a testování algoritmů pomocí sady záznamů získaných analýzou dosavadních širokospektrálních měření signálů emitovaných blesky. Data z širokospektrálních měření přijímačů umístěných na několika evropských měřících stanovištích Ústavu fyziky atmosféry AV ČR jsou k dispozici u vedoucího práce.

Součástí práce je studium existující literatury a sepsání jejího souhrnu. Vzhledem k plánovanému startu balónu v roce 2024 lze na práci navázat v následném magisterském, případně doktorském studiu.