專利名稱：雷電預(yù)警方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及雷電探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于寬帶干涉儀原理的雷電預(yù)警方 法及裝置。
背景技術(shù)：
雷電災(zāi)害是嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，可引起森林和油庫火災(zāi)，造成供電、通訊信息系 統(tǒng)故障或損壞，對(duì)航空航天、礦山及一些重要而敏感的高技術(shù)裝備造成重大威脅，也常常造 成人員傷亡。由于雷擊危害巨大、成災(zāi)迅速，且雷電發(fā)生的時(shí)間和空間具有很大的隨機(jī)性， 從而給其研究、預(yù)報(bào)和防治帶來了極大的困難。據(jù)保守估計(jì)，我國每年因雷害造成的人員傷 亡上千人，直接經(jīng)濟(jì)損失超過數(shù)億元，而由此造成的間接經(jīng)濟(jì)損失和影響難以估計(jì)，因此雷 電災(zāi)害已波及到各行各業(yè)和人民生活的方方面面。特別是近年來，受全球氣候變暖的大背 景影響，強(qiáng)對(duì)流天氣頻繁發(fā)生，局地的、極端的天氣事件發(fā)生的幾率大大增加，因此隨著國 家經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的發(fā)展，對(duì)閃電災(zāi)害預(yù)報(bào)和防御提出了更高、更廣泛的要求。雷電往往產(chǎn)生于對(duì)流性天氣過程中，當(dāng)大氣層內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈對(duì)流，云體就會(huì)帶電，這 個(gè)過程被稱之為雷云的起電過程，當(dāng)云內(nèi)或云地間的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定程度后就要發(fā)生放 電。起電-放電過程伴隨著整個(gè)雷暴發(fā)展過程，所以在雷云形成初期，以及雷云發(fā)展成熟階 段，放電過程均會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)且頻段很寬的電磁輻射，這些電磁輻射也稱為“天電”。雷電發(fā)生 時(shí)會(huì)伴隨產(chǎn)生聲、光、電磁場(chǎng)等多種效應(yīng)，這使得雷電的監(jiān)測(cè)與預(yù)警成為可能，目前大多數(shù) 雷電監(jiān)測(cè)設(shè)備就是基于雷電產(chǎn)生的各種效應(yīng)來探測(cè)閃電，實(shí)現(xiàn)對(duì)雷電活動(dòng)的早期預(yù)警。事 實(shí)上，在雷電產(chǎn)生前，雷云起電過程中，云內(nèi)會(huì)形成很多小尺度的火花放電，會(huì)產(chǎn)生頻率分 布很寬(從幾kHz到GHz)的電磁輻射噪聲，利用這些電磁輻射可以盡早的預(yù)警雷電的發(fā) 生。雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)(或裝置)的應(yīng)用非常廣泛，主要存在有多站組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)大范圍 雷電活動(dòng)的監(jiān)測(cè)和單站實(shí)現(xiàn)局地雷電活動(dòng)的監(jiān)測(cè)預(yù)警兩種方式。多站組網(wǎng)方式的工作原 理是通過探測(cè)雷電發(fā)生時(shí)所伴隨產(chǎn)生的聲、光、電磁場(chǎng)等多種效應(yīng)，利用交叉環(huán)、到達(dá)時(shí)間 差等定位技術(shù)，確定雷電發(fā)生的時(shí)間和地點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)大范圍雷電活動(dòng)的監(jiān)測(cè)預(yù)警。這類 系統(tǒng)如空際的氣象衛(wèi)星、地基的閃電定位系統(tǒng)、基于干涉原理的SAFIR(Surveillance et d' Alerte Foudre par Interferometrie Radioelectrique)閃電探測(cè)系統(tǒng)等等。單站的探測(cè)設(shè)備同樣也是利用雷電產(chǎn)生的聲、光、電磁場(chǎng)等效應(yīng)，確定是否會(huì)有雷 電的發(fā)生，并利用多種方法估算雷電到探測(cè)站的距離，確定已發(fā)生雷電的發(fā)生時(shí)間和發(fā)生 地點(diǎn)(方位)等，實(shí)現(xiàn)以探測(cè)站為中心周圍區(qū)域雷電活動(dòng)的探測(cè)預(yù)警。這類系統(tǒng)包括雷電 探測(cè)儀，大氣平均電場(chǎng)儀，雷電警報(bào)器、閃電干涉儀等等。閃電干涉定位法，是利用閃電磁輻射信號(hào)到達(dá)多個(gè)天線間的相位差，確定輻射源 的方位。如單個(gè)站點(diǎn)的閃電干涉儀通過三個(gè)不在同一直線上的短天線構(gòu)成的正交基線，就 可以確定輻射源相對(duì)于本站的方位角和仰角。在早期的窄帶寬干涉定位法中，采用接收某 一特定頻率范圍的窄帶電磁輻射信號(hào)來實(shí)現(xiàn)，隨著高速大容量數(shù)字化記錄設(shè)備技術(shù)上的
4突破，采樣頻率和記錄時(shí)間長度已允許對(duì)閃電磁輻射在較寬頻段內(nèi)進(jìn)行時(shí)域測(cè)量，1996年 Shao X.M.首次提出了寬帶干涉儀的模型，之后^hio于1997年、董萬勝于2000年在此基 礎(chǔ)上各自研制了用于二維定位的閃電寬帶干涉儀系統(tǒng)。閃電寬帶干涉儀系統(tǒng)以很高的采樣頻率直接采樣來自天線的寬帶電磁輻射信號(hào)， 通過對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，得到一系列不同頻率的窄帶信號(hào)，這樣就相當(dāng)于具 有多個(gè)不同長度基線的窄帶干涉儀系統(tǒng)。這將使得寬帶干涉系統(tǒng)定位頻率的選擇更加靈 活，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得簡單緊湊，在對(duì)閃電電磁輻射源進(jìn)行定位的同時(shí)還能夠得到寬帶頻譜信 息，因而成為閃電探測(cè)和研究的重要工具。由于強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生于中小尺度天氣系統(tǒng)，具有空間尺度小，生命史短的特點(diǎn)，具 有很強(qiáng)的局地性和突發(fā)性。目前雖有多種雷電探測(cè)系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)雷電活動(dòng)，且這些雷電探測(cè) 系統(tǒng)均利用雷電發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)或光現(xiàn)象來探測(cè)定位雷電的發(fā)生，如氣象衛(wèi)星、閃電 定位系統(tǒng)、SAHR閃電探測(cè)系統(tǒng)等。這些雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)適于大范圍地域雷電活動(dòng)的監(jiān)測(cè)，而 對(duì)某一局部地區(qū)的雷電活動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警則存在一定的局限性，故很難于做到局部地區(qū)雷電發(fā) 生的提前預(yù)警或預(yù)報(bào)。目前也有多種用于局地雷電預(yù)警的裝置，如單站的雷電探測(cè)儀、大氣平均電場(chǎng)儀 (目前有很多裝置雖然名稱不同，但均基于此原理)、利用電暈放電原理的雷電警報(bào)器以及 基于雙頻段雷電電磁輻射原理的簡易型雷暴預(yù)警裝置，或是利用這些裝置的組合形成的產(chǎn) 品等等，可說是名目、種類繁多。但作為局地雷電預(yù)警的裝置，上述設(shè)備均有各自的局限性。 如單站的雷電探測(cè)儀，這是經(jīng)典的雷電探測(cè)設(shè)備，利用交叉環(huán)技術(shù)確定的閃電發(fā)生的方位， 屬于雷電發(fā)生后才能探測(cè)到雷電的設(shè)備，這種設(shè)備主要用于多站組網(wǎng)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)大范圍 雷電活動(dòng)的監(jiān)測(cè)。雖然它可以確定閃電發(fā)生的方位，但單站系統(tǒng)無法有效確定閃電發(fā)生的 距離，盡管人們采用多種方法試圖解決單站測(cè)距的問題，如利用信號(hào)的強(qiáng)弱、天波和地波到 達(dá)時(shí)間差、電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相位差、電磁(光)信號(hào)與聲音(雷)到達(dá)時(shí)間差等等，但效果均 不理想；大氣平均電場(chǎng)儀(包括利用電暈電流原理的設(shè)備)雖然可以在雷電發(fā)生前就監(jiān)測(cè) 云內(nèi)的電活動(dòng)，但卻受周圍環(huán)境影響較大的局限，且監(jiān)測(cè)范圍小(IOkm左右)，探測(cè)到時(shí)雷 電已經(jīng)在附近了，預(yù)警作用有限；雖然基于雙頻段雷電電磁輻射原理的簡易型雷暴預(yù)警裝 置探測(cè)距離較遠(yuǎn)，可以較早的預(yù)警閃電，且能較好的剔除干擾信號(hào)，但沒有解決估算雷電距 離的問題；閃電寬帶干涉儀系統(tǒng)可以探測(cè)閃電發(fā)生前云內(nèi)微弱放電活動(dòng)，較早的預(yù)警雷電 的發(fā)生，也可利用其寬頻帶的特征，非常有效地識(shí)別、排除非雷電輻射信號(hào)的干擾信號(hào)，但 依然沒有很好的解決單站工作時(shí)距離估算這個(gè)難題。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何克服現(xiàn)有單站預(yù)警技術(shù)中由于距離估算誤差較 大、或監(jiān)測(cè)范圍較小、以及非雷電輻射信號(hào)干擾等原因?qū)е骂A(yù)警效果不理想的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)局 地區(qū)域雷電威脅的簡單、實(shí)用、可靠的分等級(jí)預(yù)警。(二)技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種雷電預(yù)警方法，該方法包括如下步驟Sl 在垂直于地面的支架上不同高度的位置處設(shè)置兩個(gè)相同的偶極子天線，構(gòu)成垂直天線陣列；S2 對(duì)接收到的雷電輻射信號(hào)進(jìn)行識(shí)別并剔除干擾信號(hào)；S3 計(jì)算雷電輻射信號(hào)到達(dá)所述垂直天線陣列的仰角；S4 根據(jù)所述仰角估算雷電源的距離；S5 根據(jù)所述雷電源的距離進(jìn)行雷電預(yù)警。其中，所述步驟S2具體包括對(duì)垂直天線陣列所接收到的雷電輻射信號(hào)做快速傅里葉變換分析，將具備十兆級(jí) 或百兆級(jí)的頻譜的信號(hào)視作雷電輻射信號(hào)，進(jìn)而剔除干擾信號(hào)。其中，所述步驟S3具體包括S301 對(duì)垂直天線陣列所接收到的雷電輻射信號(hào)進(jìn)行放大；S302 對(duì)放大后的雷電輻射信號(hào)進(jìn)行同步模數(shù)轉(zhuǎn)換；S303:對(duì)數(shù)字化后的雷電輻射信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換及相關(guān)數(shù)字信號(hào)處理操 作，得到雷電輻射信號(hào)到達(dá)兩個(gè)天線的相位差；S304:根據(jù)所述相位差與來自雷電源的雷電輻射信號(hào)仰角之間的關(guān)系，計(jì)算得到 雷電輻射信號(hào)到達(dá)垂直天線陣列的仰角。其中，所述步驟S301利用寬帶低噪聲放大器對(duì)垂直天線陣列接收到的雷電輻射 信號(hào)進(jìn)行放大。其中，所述步驟S304中，相位差與雷電輻射信號(hào)仰角α之間的關(guān)系為
權(quán)利要求
1.一種雷電預(yù)警方法，其特征在于，該方法包括如下步驟51在垂直于地面的支架上不同高度的位置處設(shè)置兩個(gè)相同的偶極子天線，構(gòu)成垂直 天線陣列；52對(duì)接收到的雷電輻射信號(hào)進(jìn)行識(shí)別并剔除干擾信號(hào)；53計(jì)算雷電輻射信號(hào)到達(dá)所述垂直天線陣列的仰角；54根據(jù)所述仰角估算雷電源的距離；55根據(jù)所述雷電源的距離進(jìn)行雷電預(yù)警。
2.如權(quán)利要求1所述的雷電預(yù)警方法，其特征在于，所述步驟S2具體包括 對(duì)垂直天線陣列所接收到的雷電輻射信號(hào)做快速傅里葉變換分析，將具備十兆級(jí)或百兆級(jí)的頻譜的信號(hào)視作雷電輻射信號(hào)，進(jìn)而剔除干擾信號(hào)。
3.如權(quán)利要求1所述的雷電預(yù)警方法，其特征在于，所述步驟S3具體包括5301對(duì)垂直天線陣列所接收到的雷電輻射信號(hào)進(jìn)行放大；5302對(duì)放大后的雷電輻射信號(hào)進(jìn)行同步模數(shù)轉(zhuǎn)換；5303對(duì)數(shù)字化后的雷電輻射信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換及相關(guān)數(shù)字信號(hào)處理操作，得 到雷電輻射信號(hào)到達(dá)兩個(gè)天線的相位差；S304:根據(jù)所述相位差與來自雷電源的雷電輻射信號(hào)仰角之間的關(guān)系，計(jì)算得到雷電 輻射信號(hào)到達(dá)垂直天線陣列的仰角。
4.如權(quán)利要求3所述的雷電預(yù)警方法，其特征在于，所述步驟S301利用寬帶低噪聲放 大器對(duì)垂直天線陣列接收到的雷電輻射信號(hào)進(jìn)行放大。
5.如權(quán)利要求3所述的雷電預(yù)警方法，其特征在于，所述步驟S304中，相位差與雷 電輻射信號(hào)仰角α之間的關(guān)系為C其中，f為雷電輻射信號(hào)的頻率，C為光速，1為天線之間的基線長度。
6.如權(quán)利要求1所述的雷電預(yù)警方法，其特征在于，所述步驟S4中，根據(jù)雷電源距離垂直天線陣列的距離d、雷電源高度h與雷電輻射信號(hào)的仰角α之間的關(guān)系J =來估tan(a)算雷電源距離垂直天線陣列的距離d ；其中，雷電源高度h范圍為4km 10km。
7.一種雷電預(yù)警裝置，其特征在于，該裝置包括垂直天線陣列，用于接收雷電輻射信號(hào)，包括兩個(gè)相同的偶極子天線，所述兩個(gè)天線分 別安裝在垂直于地面的支架上不同高度的位置上；信號(hào)處理器，用于對(duì)所述垂直天線陣列所接收到的雷電輻射信號(hào)進(jìn)行分析處理，計(jì)算 得到雷電源距離垂直天線陣列的距離，實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)雷電發(fā)生的頻數(shù)，并根據(jù)雷電活動(dòng)特征發(fā) 出不同的雷電預(yù)警指令；聲光報(bào)警器，用于根據(jù)來自所述信號(hào)處理器的雷電預(yù)警指令進(jìn)行聲音或/和燈光報(bào)警。
8.如權(quán)利要求7所述的雷電預(yù)警裝置，其特征在于，所述信號(hào)處理器具體包括 放大器模塊，用于對(duì)垂直天線陣列所接收到的雷電輻射信號(hào)進(jìn)行放大；模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，用于對(duì)放大后的雷電輻射信號(hào)進(jìn)行同步模數(shù)轉(zhuǎn)換；單板PC模塊，用于對(duì)數(shù)字化后的雷電輻射信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，通過頻譜特征分 析，對(duì)雷電輻射信號(hào)進(jìn)行識(shí)別并剔除干擾信號(hào)；得到雷電輻射信號(hào)到達(dá)兩個(gè)天線的相位差； 根據(jù)所計(jì)算得到的雷電輻射信號(hào)到達(dá)兩個(gè)天線的相位差生成雷電源距離垂直天線陣列的 距離；實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)雷電發(fā)生的頻數(shù)，分析局地雷電活動(dòng)特點(diǎn)及演變特征；最終生成預(yù)警指令 并發(fā)送至所述聲光報(bào)警器單元。
9.如權(quán)利要求7所述的雷電預(yù)警裝置，其特征在于，所述聲光報(bào)警器包括警示燈及揚(yáng) 聲器。
10.如權(quán)利要求7所述的雷電預(yù)警裝置，其特征在于，所述單板PC模塊具體包括雷電信號(hào)識(shí)別及干擾信號(hào)剔除單元，用于對(duì)數(shù)字化后的雷電輻射信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉 變換分析，根據(jù)其頻譜特征對(duì)雷電輻射信號(hào)進(jìn)行識(shí)別并剔除干擾信號(hào)；仰角計(jì)算單元，用于通過對(duì)數(shù)字化后的雷電輻射信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，得到兩路 雷電輻射信號(hào)之間的相位差力於根據(jù)相位差△ Φ與雷電輻射信號(hào)的仰角α之間的關(guān)系
全文摘要
本發(fā)明涉及基于閃電干涉儀原理的雷電預(yù)警方法及裝置，屬于雷電探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。為克服現(xiàn)有單站預(yù)警技術(shù)中預(yù)警效果不理想的缺點(diǎn)，本發(fā)明所提供的雷電預(yù)警方法首先通過對(duì)雷電輻射信號(hào)進(jìn)行識(shí)別并剔除干擾信號(hào)，然后通過測(cè)量雷電輻射信號(hào)到達(dá)垂直天線陣列的相位差，計(jì)算得到雷電輻射信號(hào)的仰角，根據(jù)所述仰角估算雷電源的距離，并實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)雷電發(fā)生的頻數(shù)，最后根據(jù)所述雷電源的距離和雷電活動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行不同等級(jí)的雷電報(bào)警。本發(fā)明技術(shù)方案通過將兩個(gè)天線垂直地面上下放置，提高了對(duì)低仰角雷電源的測(cè)量精度，利用測(cè)量雷電輻射信號(hào)到達(dá)天線陣列的仰角，進(jìn)而來估算雷電源的距離，較好的解決了目前同類產(chǎn)品對(duì)雷電活動(dòng)區(qū)域距離估算方面的不足。
文檔編號(hào)G01R29/08GK102095943SQ20101056735
公開日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2010年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月25日
發(fā)明者劉恒毅, 周康輝, 董萬勝 申請(qǐng)人:中國氣象科學(xué)研究院