Pionierskimi pracami były osiągnięcia Franklina który jednoznacznie udowodnił elektryczny charakter zjawiska wyładowań atmosferycznych wynajdując niejako "przy okazji" piorunochron i kładąc podwaliny pod ogół działań mających na celu ochronę ludzi i ich dóbr przed wyładowaniami atmosferycznymi. Odkrycie fal elektromagnetycznych i komunikacji radiowej którą zakłócały burze atmosferyczne, pozwoliło na stwierdzenie, że pioruny są źródłem tych zakłóceń , a więc stwierdzenie faktu, że przy wyładowaniu atmosferycznym generowana jest fala elektromagnetyczna.
Rozpoczęto badania tzw. radiotrzasków, będących efektem akustycznym emisji fali elektromagnetycznej przez wyładowanie piorunowe W okresie międzywojennym badania takie prowadził w Polsce Cz. Centkiewicz rejestrując radiotrzaski oraz Lugeon, wykorzystując do tego celu aparaturę skonstruowana w Warszawie, w firmie "Avia" znanej również z produkcji replik ENIGMY dla polskiego wywiadu radiowego.

W latach powojennych aż do lat 80 w Instytucie Meteorologii i Gospodarki Wodnej nie prowadzono badań nad charakterem wyładowań atmosferycznych. Prace służby meteorologicznej sprowadzały się do określenia ilości dni z burzą oraz statystycznej analizy zjawiska. W drugiej połowie lat 80 przy okazji zakupu radaru meteorologicznego w ramach "sprzedaży wiązanej" Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej otrzymał jako dodatek do radaru MRL 5 urządzenie do lokalizacji wyładowań działające na zasadzie odbioru fal LF. Ze względu na bardzo ostre warunki lokalizacyjne powyższego urządzenia zastosowanie jego było ograniczone do prac eksperymentalnych, które prowadzonych początkowo w Warszawie, a następnie na terenie Oddziału Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej we Wrocławiu. Ze względu na wspomniane wymagania lokalizacyjne oraz wrażliwość aparatury na zakłócenia pochodzące od instalacji i urządzeń technicznych (spawarki, linie tramwajowe, samochody itp.) zrezygnowano z eksploatacji urządzenia.

Rozwój metod teledetekcyjnych obserwowany w ostatnim dwudziestoleciu XX wieku i ich zastosowanie w meteorologii objął również problem wykrywania i lokalizacji wyładowań atmosferycznych. Ewolucja systemów oraz potrzeby różnego rodzaju użytkowników doprowadziły do istnienia dwóch konkurencyjnych systemów produkowanych w USA przez firmę GLOBAL ATMOSPHERICs z Tuscon oraz DIMENSION z Aix-en-Provance z Francji. Obie firmy prowadziły w latach 90 intensywną działalność marketingowa na terenie Polski i krajów ościennych. Począwszy od roku 1990 autor, wraz z przedstawicielami Politechniki Warszawskiej zabiegał o możliwość instalacji nowoczesnego systemu rejestracji i lokalizacji wyładowań atmosferycznych w Polsce. Zorganizowano szereg wizyt przedstawicieli producentów zarówno w Instytucie Meteorologii i Gospodarki Wodnej, jak również w zainteresowanych przedsiębiorstwach, jednak brak środków finansowych nie pozwolił na realizację przedsięwzięcia.
W latach 1997 -1998 służby meteorologiczne Węgier i Słowacji zainstalowały system SAFIR (Dimension) na swoim terytorium. Również w Polsce po katastrofalnej powodzi w dorzeczu Odry w roku 1997 sytuacja finansowa uległa zmianie. Podpisana umowa pomiędzy Rządem Rzeczpospolitej a Bankiem Światowym na budowę systemu ostrzegania i prognozowania groźnych zjawisk atmosferycznych otworzyła możliwość budowy systemu.

W Instytucie Meteorologii i Gospodarki Wodnej powstał projekt koncepcyjny systemu, a następnie założenia techniczne i dokumentacja przetargowa na budowę w Polsce sytemu detekcji i lokalizacji wyładowań atmosferycznych. Po zatwierdzeniu dokumentacji ogłoszono przetarg międzynarodowy realizowany według procedur Banku Światowego na realizacje tego zadania. Do przetargu stanęły dwie firmy - Global Atmospherics Inc we współpracy z SIEMENS Polska oraz Ysselbach GmbH z Austrii współpracująca z firmą Vaisala-Dimension z Francji. W wyniku badania dokumentacji uznano, że obie oferty są równoważne i odpowiadają wymaganiom Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej i w tej sytuacji wybrano ofertę tańszą.

Podpisanie kontraktu na budowę systemu wykrywania i lokalizacji wyładowań atmosferycznych w Polsce. Kontrakt z ramienia Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej podpisał Dyrektor IMGW prof.dr hab. inż. Jan Zieliński, a z ramienia firmy Ysselbach GmbH Prezes - inż. Peter Schmit.

Budowa Systemu

  Wstępne badania i symulacje wykazały, ze dla zapewnienia żądanej efektywności wykrywania wyładowań i dokładności ich lokalizacji niezbędne jest zainstalowane na terenie Polski 9 stacji detekcyjnych systemu SAFIR 3000. Ich instalacje poprzedzono szeregiem pomiarów widma elektromagnetycznego oraz wizji terenowych. W rezultacie zbadano ponad 30 potencjalnych lokalizacji, a po przeprowadzonych analizach i symulacjach opartych o model propagacji ustalono ostateczną konfigurację sieci stacji detekcyjnych (rys 1). Zdecydowano, że stacje detekcyjne staną na terenach będących własnością Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej na których znajdują się stacje hydrologiczno-meteorologiczne.

Ostatecznie zlokalizowano stacje detekcyjne w:

Białymstoku

Symulacja zasięgu i dokładności Systemu SAFIR 3000 na terenie Polski
Poważnym problemem przy projektowaniu sieci pomiarowej sytemu było zapewnienie sprawnej łączności pomiędzy stacjami detekcyjnymi, a jednostką centralną systemu. Po przeprowadzeniu studiów teoretycznych i testów praktycznych oraz analiz ekonomicznych, zdecydowano się na zastosowanie łączności satelitarnej za wyjątkiem stacji w Białymstoku i Warszawie gdzie wykorzystano istniejącą sieć rozległą Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej opartą na łączach dzierżawionych.
Centralna stacja przetwarzania danych została zainstalowana w Ośrodku Głównym Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej.
Z nastaniem sprzyjających warunków meteorologicznych rozpoczęto budowę sieci pomiarowej w uzgodnionych lokalizacjach, stosując maszty kratowe, lub rurowe,. przy czym te ostatnie stosowano wyłącznie przy instalacjach stacji detekcyjnych na dachach budynków. (Warszawa, Białystok, Częstochowa ).
W Kaliszu wykorzystano maszt telefonii GSM stojący na terenie stacji meteorologicznej, w rezultacie czego antena została zainstalowana na wysokości 80 m. Podobna sytuacja zaistniała w Gorzowie Wlkp. z tym ze wysokość anteny wynosi w tym przypadku 30 m.
Tak wysokie położenie anten w istotny sposób wpłynęło na zasięgi i dokładności sytemu, która jest lepsza niż zakładano, gdyż symulacje wykonywano przy założeniu że wysokość anten wynosi 15 m nad poziom gruntu. W istocie większość anten została zainstalowane na masztach 21 metrowych lub wyższych.
Moduły elektroniczne stacji detekcyjnych zostały połączone światłowodami ze stacjami nadawczo - odbiorczymi sytemu łączności satelitarnej. Ostatecznie wszystkie prace montażowo - uruchomieniowe zostały zakończone we wrześniu roku 2001.
Począwszy od września 2001 testowano zarówno system, jak też integralnie z nim związany system transmisji danych oparty o łącza satelitarne. W roku 2001 sezon burzowy w Polsce zakończył się stosunkowo wcześnie i dlatego też wydłużono okres testowy systemu na pierwsze półrocze roku 2002. Testowaniu podlega zarówno sam system, jak i podsystem łączności satelitarnej. Ponieważ dotychczas nie stosowano do systemu SAFIR 3000 tego rodzaju łączności, były to nowe doświadczenia zarówno dla producenta jak i użytkownika systemu. W początkowym okresie testów problemem były opóźnienia sygnału spowodowane odległością pomiędzy stacjami nadawcza i odbiorcza a satelitą geostacjonarnym. Zmiana protokółów transmisji oraz bliska współpraca z operatorem systemu satelitarnego pozwoliła na usunięcie problemów i normalna pracę systemu.
   Zespół antenowy
   systemu SAFIR.

Organizacja i działanie systemu w Polsce

Schemat systemu wykrywania i lokalizacji wyładowań atmosferycznych

Jak wspomniano system wykrywania i lokalizacji wyładowań atmosferycznych zbudowano w oparciu o dziewięć stacji detekcyjnych zlokalizowanych w Olsztynie, Białymstoku, Włodawie, Sandomierzu, Częstochowie, Kaliszu, Gorzowie Wlkp. Toruniu i Warszawie.
W istocie każda stacja detekcyjna składa się z systemu 5 dipolowych anten VHF, dyskryminującej anteny długofalowej LF, anteny odbiorczej systemu GPS, oraz zespołu elektronicznego w którym sygnały odbierane przez anteny podlegają zalgorytmizowanym procesom przetwarzania.
System VHF przeznaczony jest do określenia kierunku (azymutu) wyładowania atmosferycznego w oparciu o zasadę interferometrii VHF.

Inaczej mówiąc pomiar polega na określeniu kąta przesunięcia fazowego odbieranego sygnału przez dwie sparowane anteny, przy czym anteny zostały tak rozmieszczone, że kąt przesunięcia fazowego odpowiada azymutowi wyładowania.

Pomiar przesunięcia fazowego sygnału odebranego przez antenę nr 1 - V1(t) i antenę nr 2 - V2(t)

   Antena LF pozwala na dyskryminację fal odbieranych, a więc odpowiada za identyfikację wyładowania, natomiast antena GPS pozwala na synchronizację systemu zegara wewnętrznego stacji z czasem uniwersalnym.
Każda ze stacji detekcyjnych wykrywa fale elektromagnetyczną generowaną przez wyładowanie atmosferyczne i otrzymany sygnał poddaje obróbce uzyskując w rezultacie takie parametry jak:

Z anten VHF:
• azymut wyładowania
• czas wyładowania
• amplituda sygnału
• gęstość sygnału

Z anteny LF i GPS:
• Wartość szczytową pola elektromagnetycznego
• Czas wystąpienia wartości szczytowej
• Czas narastania sygnału
• czas zaniku sygnału

   Wartości te noszące nazwę danych pierwotnych w postaci pakietu danych każda stacja detekcyjna w czasie rzeczywistym przesyła za pomocą sieci WAN opartej na łączach satelitarnych do jednostki centralnej. Tam dane podlegają weryfikacji i dalszej obróbce w systemie komputerowym w wyniku czego powstają dane przetworzone - wtórne.

Danymi tymi są:
• Szerokość i długość geograficzna wyładowania
• Czas wyładowania
• Amplituda sygnału VHF
• Typ charakterystyki wyładowania
• Polaryzacja wyładowania
• Prąd wyładowania
• Czas narastania i zaniku
  
  Przykładowa wizualizacja sytuacji burzowej 14 maja 2002 uzyskana z systemu SAFIR 3000
  Zarówno dane pierwotne, jak i wtórne są przechowywane w pamięci dyskowej systemu, oraz są przesyłane do stacji roboczych użytkowników gdzie następuje wizualizacja wyładowań na podkładzie mapowym generowanym przez oprogramowanie MapInfo(r).

     Dla zastosowań meteorologicznych istotne jest uzyskanie informacji zarówno o wyładowaniach między i wewnątrzchmurowych jak i doziemnych. Analiza rozmieszczenia wyładowań wewnątrzchmurowych pozwala na śledzenie trasy komórek burzowych, jak również prognozowanie dynamiki procesu.
  System umożliwia to poprzez jedną z opcji oprogramowania. Również możliwe jest uzyskanie informacji o gęstości wyładowań.

  
  
  Aplikacja umożliwiająca śledzenie trasy przemieszczania się komórek burzowych

  System pracuje w dwóch trybach - on line czyli w czasie rzeczywistym i w trybie postprocesingu umożliwiającym przeglądanie i odtwarzanie danych historycznych zebranych w bazie danych. W obydwu trybach możliwe jest również uzyskanie informacji alfanumerycznej o każdym zarejestrowanym wyładowaniu. Informacja taka zawiera między innymi współrzędne geograficzne wyładowania, czas wystąpienia, polaryzację, prąd wyładowania oraz ilość wyładowań wtórnych.

  Zainstalowany system wykrywania i lokalizacji wyładowań atmosferycznych SAFIR 3000 jest nowoczesnym i nowatorskim narzędziem którego zastosowania zarówno naukowe jak i aplikacyjne będą się rozwijały w latach następnych.