一種基于甚低頻/低頻三維全閃電探測定位系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種基于VLF/LF三維全閃電探測定位系統(tǒng)，包含一個(gè)數(shù)據(jù)處理中心站(20)與多個(gè)安裝在不同位置的探測子站。多個(gè)探測子站接入廣域網(wǎng)，通過廣域網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心站(20)。數(shù)據(jù)中心站(20)接收到各個(gè)探測子站的探測數(shù)據(jù)后，通過三維閃電定位算法，得到閃電輻射源的三維位置。探測子站的VLF/LF天線采集模塊(4)采集磁場、電場、GPS對(duì)時(shí)信號(hào)后傳輸給信道處理模塊(5)，信道處理模塊(5)將各路信號(hào)處理后傳輸給閃電信號(hào)判別模塊(6)，閃電信號(hào)判別模塊(6)根據(jù)云閃特征、云地閃特征判別云閃、云地閃后，由時(shí)鐘同步模塊(7)將閃電信號(hào)打上時(shí)間標(biāo)簽，傳輸給數(shù)據(jù)發(fā)送模塊(8)，數(shù)據(jù)發(fā)送模塊(8)將閃電數(shù)據(jù)發(fā)往數(shù)據(jù)處理中心站(20)。
【專利說明】
一種基于甚低頻/低頻三維全閃電探測定位系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種閃電觀測設(shè)備，具體涉及一種甚低頻/低頻(VLF/LF)頻段的三維 全閃電探測定位系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 閃電是大氣中瞬時(shí)的強(qiáng)放電過程，根據(jù)閃電通道是否接地，可以將閃電分為云地 閃和云閃。
[0003] 專利CN 103116083公開了一種VLF/LF(甚低頻/低頻)頻段地閃雷電探測定位系 統(tǒng)，該系統(tǒng)可對(duì)地閃雷電輻射源產(chǎn)生沿地表面?zhèn)鞑サ牡亻W雷電信號(hào)進(jìn)行精確估計(jì)。該發(fā)明 只能測量云地閃，還停留在云地閃電的二維觀測上，不能探測出云閃。
[0004] 專利CN 101893661公開了一種光電信號(hào)同步監(jiān)測的閃電數(shù)據(jù)處理方法，通過閃電 光信號(hào)和電磁信號(hào)的同步對(duì)比分析，利用時(shí)差法計(jì)算出閃電發(fā)生的時(shí)間和三維空間位置。 該發(fā)明只是找出了空間位置，在探測時(shí)不能有效地區(qū)分云地閃和云閃。
[0005] 專利CN 102565554提出了一種生成三維雷電定位地閃點(diǎn)分布圖的方法，該方法首 先利用現(xiàn)有的二維雷電定位地閃點(diǎn)分布圖和海拔高程地圖，通過柵格轉(zhuǎn)換，生成新的三維 雷電定位地閃點(diǎn)分布圖。該發(fā)明只能測量云地閃，不能探測云閃，三維顯示的是結(jié)合了地形 地貌的三維閃電落點(diǎn)圖，而不是結(jié)合了云地閃和云閃的全閃電三維探測系統(tǒng)。
[0006] 專利CN 102288838公開了一種VHF(甚低頻)頻段云閃雷電探測定位系統(tǒng)，利用時(shí) 差法確定云閃空間輻射位置。該發(fā)明中的VHF頻段陣列天線由九個(gè)相同的VHF頻段全向天線 構(gòu)成，接收天線非常復(fù)雜且未結(jié)合云地閃測量系統(tǒng)。
[0007] 專利CN201555946公開了甚低頻和甚高頻結(jié)合的全閃電定位系統(tǒng)。該實(shí)用新型探 測站點(diǎn)包括VHF接收機(jī)、VLF接收機(jī)、工控機(jī)等模塊，系統(tǒng)復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)。
[0008] 云地閃電的回?fù)暨^程會(huì)輻射強(qiáng)烈的VLF/LF電磁脈沖，該脈沖在地電離層波導(dǎo)中以 地波形式傳播，通過水平通道正交磁場天線可探測到該脈沖信號(hào)，并利用測向、時(shí)差等方式 能夠?qū)崿F(xiàn)云地閃的定位。后期，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)云閃中的反沖流光與云地閃的回?fù)暨^程類似，也 會(huì)輻射VLF/LF電磁脈沖信號(hào)，特別是會(huì)輻射垂直通道的磁場信號(hào)。由于云閃放電通道多為 水平或傾斜的，僅憑水平通道天線無法探測云閃的電磁脈沖信號(hào)，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)云閃的探測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種甚低頻/低頻(VLF/LF)三維全 閃電探測定位系統(tǒng)。本發(fā)明通過增加垂直通道磁場天線，采用垂直通道磁場測量探測云閃 信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)站點(diǎn)對(duì)云地閃和云閃的同步觀測，通過有線或無線方式將數(shù)據(jù)送往中心站 處理，利用三維時(shí)差算法得到閃電的定位結(jié)果，從而能更直觀地了解閃電的放電過程，獲得 閃電放電通道的三維定位結(jié)果和時(shí)空演變過程。
[0010] 本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0011] 本發(fā)明基于VLF/LF三維全閃電探測定位系統(tǒng)，包含一個(gè)數(shù)據(jù)處理中心站與多個(gè)安 裝在不同位置的探測子站。探測子站的安裝通常采用Y型分布，基線距離為150公里左右。不 同的探測子站通過有線或無線方式接入廣域網(wǎng)或局域網(wǎng)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心站。數(shù)據(jù) 中心站在接收到各個(gè)探測子站的探測數(shù)據(jù)后通過三維閃電定位算法，得出閃電輻射源的三 維位置。本發(fā)明通過增加垂直磁場的測量、保持水平磁場的測量的方法，測量水平及垂直三 維方向的磁場來監(jiān)測云閃和云地閃，在保持云地閃探測效率與精度的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)云閃 多方向通道定位，以提高云閃的探測效率與探測精度。
[0012]所述的探測子站均由VLF/LF天線采集模塊、信道處理模塊、閃電信號(hào)判別模塊、時(shí) 鐘同步模塊，以及數(shù)據(jù)發(fā)送模塊組成。VLF/LF天線采集模塊的輸出端連接信道處理模塊的 輸入端，信道處理模塊的輸出端連接閃電信號(hào)判別模塊的輸入端，閃電信號(hào)判別模塊的輸 出端連接時(shí)鐘同步模塊的輸入端，時(shí)鐘同步模塊的輸出端連接數(shù)據(jù)發(fā)送模塊的輸入端，數(shù) 據(jù)發(fā)送模塊將處理后的閃電數(shù)據(jù)通過有線或者無線的方式發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心站。
[0013] VLF/LF天線采集模塊采集磁場、電場、GPS信號(hào)后，通過VLF/LF天線采集模塊總線 傳輸給信道處理模塊。信道處理模塊將各路信號(hào)處理后傳輸給閃電信號(hào)判別模塊。閃電信 號(hào)判別模塊根據(jù)云閃特征、云地閃特征區(qū)分云閃、云地閃后，使用時(shí)鐘同步模塊將閃電信號(hào) 打上時(shí)間標(biāo)簽，最后通過數(shù)據(jù)發(fā)送模塊將閃電數(shù)據(jù)發(fā)往數(shù)據(jù)處理中心站。所述的VLF/LF天 線采集模塊能夠同時(shí)探測云閃以及云地閃電磁波信號(hào)。
[0014]所述閃電信號(hào)判別模塊對(duì)云地閃和云閃的判別依據(jù)如下：
[0015] 如電磁場信號(hào)符合以下1個(gè)判據(jù)的指標(biāo)，則判定為云閃：
[0016] (1)垂直磁場通道數(shù)字波形符合8/2〇ys雷電流波形。
[0017]如電磁場信號(hào)均符合以下4個(gè)判據(jù)的指標(biāo)，則判定為云地閃：
[0018] (1)南北向磁場通道數(shù)字波形符合8/20ys雷電流波形；
[0019] (2)東西向磁場通道數(shù)字波形符合8/20ys雷電流波形；
[0020] (3)電場通道數(shù)字波形符合8/2〇ys雷電流波形；
[0021] (4)非云閃。
[0022] 所述的VLF/LF天線采集模塊包括磁場天線、電場天線和GPS天線。所述的電場天線 由兩塊平板電容組成。兩塊平板電容上下相對(duì)布置，兩塊平板電容之間布置有4個(gè)支柱，通 過4個(gè)支柱和緊固螺絲支撐固定。GPS天線固定在位于上部的第一平板電容上。磁場天線垂 直布置于兩塊平板電容之間，粘貼在支柱外表面。磁場天線由測量水平磁場的南北向磁場 環(huán)天線和東西向磁場環(huán)天線、測量垂直方向磁場環(huán)天線兩兩正交組成;三組磁場環(huán)天線的 形狀相同、面積相同，線圈匝數(shù)相同，每個(gè)VLF/LF天線采集模塊的磁場天線的增益相同。南 北向磁場環(huán)天線測量閃電發(fā)生時(shí)的南北向磁場信號(hào)，東西向磁場環(huán)天線測量閃電發(fā)生時(shí)的 東西向磁場信號(hào)，垂直方向磁場環(huán)天線測量閃電發(fā)生時(shí)的垂直磁場信號(hào)，電場天線測量閃 電發(fā)生時(shí)的電場信號(hào)，GPS天線接收GPS對(duì)時(shí)信號(hào)。
[0023]所述的數(shù)據(jù)處理中心站接收到各個(gè)探測子站上傳的數(shù)據(jù)后，按照上傳的數(shù)據(jù)類型 分別存儲(chǔ)到不同的閃電數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)利用三維時(shí)差算法計(jì)算出閃電的三維地理位置和時(shí) 間，計(jì)算結(jié)果也存儲(chǔ)到閃電數(shù)據(jù)庫中。閃電數(shù)據(jù)庫保存有探測子站狀態(tài)數(shù)據(jù)、探測子站閃電 數(shù)據(jù)和閃電定位結(jié)果數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程中心站實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)探測子站的運(yùn)行狀態(tài):如探測站正常、 探測站狀態(tài)缺失、探測站背景噪聲超標(biāo)、探測站故障等。探測子站閃電數(shù)據(jù)中包括閃電的波 形數(shù)據(jù)、閃電的GPS絕對(duì)時(shí)間、探測站的經(jīng)煒度、閃電類型等;閃電定位結(jié)果數(shù)據(jù)包括定位出 來的閃電的時(shí)間、經(jīng)煒度、高度、強(qiáng)度、定位方式、定位誤差、閃電類型等。
[0024]所述的三維時(shí)差算法是利用多個(gè)觀測站接收到的信號(hào)到達(dá)時(shí)間，對(duì)輻射源進(jìn)行定 位的方法，具體算法如下：
[0025]已知三維全閃電探測定位系統(tǒng)中各探測子站的空間位置為(Xl，yi，Zl)，閃電信號(hào) 到達(dá)各探測子站的時(shí)間為ti，i = 0，l，2,3,......，1^-1。其中1 = 0表示主站，1 = 1，2,3,......， N-1表示副站。設(shè)閃電發(fā)生的位置為(x，y，z)，閃電信號(hào)到主站的距離為Ro,到達(dá)副站的距離 為Ri，三維時(shí)差定位方程可寫為：
[0026]
[0027] 式中i = l，2,3,……，N_1，方程中包含有x，y，z，t四個(gè)未知量，因此根據(jù)四個(gè)探測 子站接收到的數(shù)據(jù)即可求解出這四個(gè)未知量，得到閃電發(fā)生的位置及時(shí)間。
[0028]本發(fā)明利用VLF/LF頻段接收天線實(shí)現(xiàn)云閃、云地閃同步監(jiān)測，對(duì)閃電輻射源的三 維位置進(jìn)行了高精度、高分辨率的連續(xù)觀測。采用多個(gè)由VLF/LF天線采集模塊、信道處理模 塊、閃電信號(hào)判別模塊、時(shí)鐘同步模塊，以及數(shù)據(jù)發(fā)送模塊等構(gòu)成的全閃電探測子站，完成 對(duì)VLF/LF頻段云閃、云地閃信號(hào)的接收、分析、處理與傳輸;通過三維時(shí)差算法對(duì)閃電的輻 射源進(jìn)行精確三維定位，同時(shí)將定位結(jié)果三維顯示在地理信息系統(tǒng)上，實(shí)現(xiàn)三維閃電的實(shí) 時(shí)監(jiān)測與預(yù)警、設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控、數(shù)據(jù)資料及服務(wù)產(chǎn)品等功能。
[0029] 本發(fā)明探測定位系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：
[0030] (1)構(gòu)成一個(gè)完整的VLF/LF頻段云閃、云地閃三維閃電探測定位系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)同 時(shí)對(duì)云閃和云地閃的連續(xù)自動(dòng)觀測；
[0031 ] (2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，通過在南北向磁場天線和東西向磁場天線基礎(chǔ)上增加一個(gè)垂 直磁場測量天線來測量云閃，僅使用一個(gè)集成化的VLF/LF天線米集模塊同時(shí)米集云閃、云 地閃信號(hào)，極大地簡化了接收端的信號(hào)處理復(fù)雜度，同時(shí)三路相同的磁場信號(hào)處理電路保 證了磁場信號(hào)增益的一致性，保證了各探測子站信號(hào)接收的一致性，提高了探測精度； [0032] (3)探測子站采用VLF/LF天線采集模塊接收，簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使建網(wǎng)成本得到有 效的降低，同時(shí)可擴(kuò)展性強(qiáng)；
[0033] (4)中心站米用二維時(shí)差算法對(duì)閃電進(jìn)彳丁二維空間位置定位，并實(shí)時(shí)顯不二維閃 電結(jié)果在地理信息系統(tǒng)上，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。
【附圖說明】
[0034]圖1 VLF/LF三維全閃電探測定位系統(tǒng)圖；
[0035] 圖2 VLF/LF三維全閃電探測子站處理流程圖；
[0036]圖3 VLF/LF三維全閃電探測定位系統(tǒng)天線采集模塊；
[0037]圖4 VLF/LF天線采集模塊仰視圖；
[0038]圖5信道處理模塊組成結(jié)構(gòu)框圖；
[0039]圖6閃電信號(hào)判別模塊處理流程圖；
[0040]圖7典型8/20ys雷電流采集波形。
【具體實(shí)施方式】
[0041] 下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0042] 如圖1所示，本發(fā)明基于VLF/LF三維全閃電探測定位系統(tǒng)，包含一個(gè)數(shù)據(jù)處理中心 站20與N個(gè)安裝在不同位置的探測子站11、12,……，1N，N彡4。不同的探測子站通過有線路 由31或無線基站32接入廣域網(wǎng)中，通過廣域網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心站20,數(shù)據(jù)中心站20 在接收到各個(gè)探測子站11、12,……，1N的探測數(shù)據(jù)后，進(jìn)行三維閃電定位算法計(jì)算，得到閃 電輻射源的三維位置。
[0043] 分布的探測子站11、12，……，1N，數(shù)據(jù)處理中心站20，通過有線路由31或者3G4G無 線基站32或者ADSL33方式接入廣域網(wǎng)，形成一個(gè)三維全閃電探測定位系統(tǒng)。
[0044]每個(gè)探測子站均包括VLF/LF天線采集模塊4、信道處理模塊5、閃電信號(hào)判別模塊 6、時(shí)鐘同步模塊7，以及數(shù)據(jù)發(fā)送模塊8，如圖2所示。
[0045] VLF/LF天線采集模塊4的輸出端連接信道處理模塊5的輸入端，信道處理模塊5的 輸出端連接閃電信號(hào)判別模塊6的輸入端，閃電信號(hào)判別模塊6的輸出端連接時(shí)鐘同步模塊 7的輸入端、時(shí)鐘同步模塊7的輸出端連接數(shù)據(jù)發(fā)送模塊8的輸入端，數(shù)據(jù)發(fā)送模塊8通過有 線或者無線的方式將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心站20 JLF/LF天線采集模塊4采集 磁場、電場、GPS信號(hào)后傳輸給信道處理模塊5;信道處理模塊5將各路信號(hào)處理后傳輸給閃 電信號(hào)判別模塊6;閃電信號(hào)判別模塊6根據(jù)云閃特征、云地閃特征判別出云閃、云地閃后， 使用時(shí)鐘同步模塊7將閃電信號(hào)打上時(shí)間標(biāo)簽，傳輸給數(shù)據(jù)發(fā)送模塊8;最后通過數(shù)據(jù)發(fā)送 模塊8將閃電數(shù)據(jù)發(fā)往數(shù)據(jù)處理中心站20。
[0046]數(shù)據(jù)中心站20接收到各個(gè)探測子站11、12，···，1Ν上傳的數(shù)據(jù)后，按照上傳的數(shù)據(jù) 類型分別存儲(chǔ)到不同的閃電數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)利用三維時(shí)差算法計(jì)算出閃電的三維地理位置 和時(shí)間后，將計(jì)算結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)到閃電數(shù)據(jù)庫中。閃電數(shù)據(jù)庫包括有探測子站狀態(tài)數(shù)據(jù)、探測子 站閃電數(shù)據(jù)和閃電定位結(jié)果數(shù)據(jù)。遠(yuǎn)程中心站可以實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)探測子站的運(yùn)行狀態(tài):如 探測站正常、探測站狀態(tài)缺失、探測站背景噪聲超標(biāo)、探測站故障等。探測子站的閃電數(shù)據(jù) 中包括閃電的波形數(shù)據(jù)、閃電的GPS絕對(duì)時(shí)間、探測站的經(jīng)煒度、閃電類型等。閃電定位結(jié)果 數(shù)據(jù)包括定位出來的閃電的時(shí)間、經(jīng)煒度、高度、強(qiáng)度、定位方式、定位誤差、閃電類型等。 [0047] VLF/LF天線采集模塊4探測云地閃電和云間閃電的低頻/甚低頻電磁場信號(hào)。如圖 3所示，VLF/LF天線采集模塊包括磁場天線、電場天線和GPS天線。所述的電場天線由兩塊平 板電容44、45組成。兩塊平板電容44、45上下相對(duì)布置，兩塊平板電容44、45之間布置有4個(gè) 支柱47,通過4個(gè)支柱47和緊固螺絲48支撐固定。GPS天線46固定在位于上部的第一平板電 容44上。磁場天線41、42和43固定在支柱47的外表面。磁場天線由測量水平磁場的41和東西 向磁場環(huán)天線42、測量垂直方向磁場環(huán)天線43組成，南北向磁場環(huán)天線41、東西向磁場環(huán)天 線42和垂直方向磁場環(huán)天線43這三個(gè)磁場環(huán)天線兩兩正交。南北向磁場環(huán)天線41、東西向 磁場環(huán)天線42和垂直方向磁場環(huán)43通過雙面膠分別固定在三根支柱47的外表面。南北向磁 場環(huán)天線41與地理南北向重合，東西向磁場環(huán)天線42與地理東西向重合，垂直方向磁場環(huán) 天線43與地理水平面平行，三個(gè)磁場環(huán)天線測量三維方向的磁場信號(hào)。
[0048]組成電場天線的兩塊平板電容44、45為敷銅的電路板，電場天線測量閃電發(fā)生時(shí) 的電場信號(hào)。
[0049] GPS天線46由高靈敏度GPS天線和尼龍外殼組成，固定在電場天線的第一平板電容 44上，第一平板電容44位于VLF/LF天線采集模塊上部。GPS天線46將信號(hào)傳輸?shù)降谝黄桨咫?容44上，再由第一平板電容44將信號(hào)傳輸?shù)降诙桨咫娙?5上，由第二平板電容45上的總 線通道49傳輸給信道處理模塊5。
[0050]電場天線測量低頻/甚低頻閃電電場信號(hào)，組成平板電容44、45的兩塊電路板上均 布置有信號(hào)線。第一平板電容44上布置有GPS信號(hào)連接線，第二平板電容45上布置有南北向 磁場信號(hào)線、東西向磁場信號(hào)線、垂直磁場信號(hào)線、GPS信號(hào)線和電場信號(hào)線，所有信號(hào)線均 與總線通道49連接，通過總線通道49傳輸所采集的信號(hào)至信號(hào)信道處理模塊5。
[0051 ]四個(gè)鋁制的支柱47連接上下兩塊平板電容44、45,通過上下各8個(gè)螺釘48固定支柱 47與兩塊平板電容44、45,同時(shí)為磁場天線的南北向磁場環(huán)天線41、東西向磁場環(huán)天線42和 測量垂直磁場環(huán)天線43提供支撐。磁場天線的南北向磁場環(huán)天線41、東西向磁場環(huán)天線42 和測量垂直磁場環(huán)天線43的通道增益相同、檢校與標(biāo)定方法相同。如圖4所示，磁場天線41、 42、43,電場天線44、45和GPS天線46共享一個(gè)總線通道49,傳輸采集到的南北磁場、東西磁 場、垂直磁場、電場和GPS信號(hào)到信道處理模塊5,總線通道49焊接在第二平板電容45上。本 發(fā)明VLF/LF天線采集模塊4中的南北向磁場環(huán)天線41、東西向磁場環(huán)天線42、垂直方向磁場 環(huán)天線43的形狀相同、面積相同，線圈匝數(shù)相同，每個(gè)VLF/LF天線采集模塊的磁場天線的增 益相同
[0052]信道處理模塊5包含4組并聯(lián)的信號(hào)處理電路，其中3組是電路結(jié)構(gòu)相同的磁場通 道信號(hào)處理電路，分別用以接收和處理南北向磁場環(huán)天線41、東西向磁場環(huán)天線42、垂直方 向磁場環(huán)天線43采集的信號(hào)，另1組是電場通道信號(hào)處理電路，用以處理電場天線采集的信 號(hào)。
[0053] 如圖5所示，接收和處理南北向磁場環(huán)天線41、東西向磁場環(huán)天線42、垂直方向磁 場環(huán)天線43的三組磁場通道信號(hào)處理電路的結(jié)構(gòu)相同。以下以接收南北向磁場環(huán)天線41的 磁場通道信號(hào)處理電路為例，說明該磁場通道信號(hào)處理電路的結(jié)構(gòu)。該磁場通道信號(hào)處理 電路包括低噪聲放大器50、增益控制51和程控濾波52。低噪聲放大器50的輸入端與天線采 集模塊4中的總線通道49相連接，接收南北向磁場環(huán)天線41的VLF/LF微弱信號(hào)，提高信噪 比。低噪聲放大器50采用共發(fā)射極-共基極級(jí)聯(lián)的低噪聲放大電路，兼顧低噪聲和高增益的 要求，低噪聲放大器50的輸出端和自動(dòng)增益控制模塊51的輸入端連接，將處理后的信號(hào)傳 輸給自動(dòng)增益控制模塊51。自動(dòng)增益控制模塊51根據(jù)低噪聲放大器50輸出的信號(hào)強(qiáng)弱來適 當(dāng)放大信號(hào)，當(dāng)弱信號(hào)輸入時(shí)，線性放大保證輸出信號(hào)的強(qiáng)度；當(dāng)輸入信號(hào)達(dá)到一定強(qiáng)度 時(shí)，壓縮放大，使輸出幅度降低；自動(dòng)增益控制模塊51能有效地對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大并防止信號(hào) 溢出，增益實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，處理信號(hào)幅值范圍為±l〇V。自動(dòng)增益模塊51的輸出端和程控濾 波器52的輸入端連接，將處理后的信號(hào)傳輸給程控濾波器52,程控濾波器52根據(jù)磁場信號(hào) 特點(diǎn)設(shè)定濾波方式，控制信道帶寬，減少干擾。所述程控濾波器52的核心部分為雙二階環(huán)路 濾波器，利用兩個(gè)以上由加法器、積分器等組成運(yùn)算放大電路，設(shè)置傳遞函數(shù)，引入適當(dāng)?shù)?反饋組成。程控濾波器52將處理后的信號(hào)輸出給閃電信號(hào)判別模塊6。
[0054] 所述的電場通道信號(hào)處理電路包括低噪聲放大器50、自動(dòng)增益控制51、工頻濾波 53、橢圓濾波54和相位補(bǔ)償55。低噪聲放大器50的輸入端與VLF/LF天線采集模塊中的總線 通道49相連，接收電場天線的信號(hào)。低噪聲放大器50的輸出端與自動(dòng)增益模塊51的輸入端 連接，將提高信噪比后的信號(hào)傳輸給自動(dòng)增益模塊51;自動(dòng)增益模塊51的輸出端與濾波53 的輸入端連接，將信號(hào)放大后傳輸給工頻濾波53;工頻濾波53的輸出端連接橢圓濾波54的 輸入端，消除工頻信號(hào)干擾后將信號(hào)傳輸給橢圓濾波54;橢圓濾波54的輸出端連接相位補(bǔ) 償55，將濾波后的信號(hào)傳輸給相位補(bǔ)償55;相位補(bǔ)償55對(duì)電場信號(hào)進(jìn)行相位修正，保持與磁 場信號(hào)相位一致。相位補(bǔ)償55將處理后的信號(hào)輸出給閃電信號(hào)判別模塊6。
[0055] 閃電信號(hào)判別模塊6將接收到的信道處理模塊5輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)， 將數(shù)字信號(hào)數(shù)字濾波處理后綜合分析電磁場數(shù)字信號(hào)波形特點(diǎn)，確定接收到的信號(hào)是否閃 電信號(hào)，如果接收到的不是閃電信號(hào)則忽略;如果是閃電信號(hào)則區(qū)分云閃和云地閃，將閃電 時(shí)間進(jìn)行GPS時(shí)鐘同步，給出精確閃電時(shí)間。
[0056] 如圖6所示，閃電信號(hào)判別模塊6將接收到的信道處理模塊5輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換 成數(shù)字信號(hào)，然后判別是否是閃電信號(hào)。閃電信號(hào)判別模塊6集成了高速AD控制模塊61、數(shù) 據(jù)緩存單元62,數(shù)字平滑濾波模塊63,閃電判斷處理單元64等。高速AD控制模塊61接收信道 處理模塊5輸出的模擬信號(hào)，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，高速AD控制模塊61采用12Bit分 辨率、采集速度在60MSPS以上的AD芯片，保證采集到的數(shù)字波形能完整還原模擬信號(hào)。數(shù)據(jù) 緩存單元62的輸入端連接高速AD控制模塊61的輸出端。數(shù)據(jù)緩存單元62的輸出端連接數(shù)字 平滑濾波模塊63的輸入端，數(shù)字平滑濾波模塊63的輸出端連接閃電判斷處理單元64。數(shù)據(jù) 緩存單元62緩存高速AD控制模塊61輸出的數(shù)字信號(hào)，然后將緩存的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)字平滑濾 波模塊63;數(shù)字平滑濾波模塊63從數(shù)據(jù)緩存單元62提取數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行平滑濾波，然 后將平滑濾波后的數(shù)字信號(hào)傳輸給閃電判斷處理單元64;閃電判斷處理單元64將平滑濾波 后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行綜合分析，提取電磁場數(shù)字信號(hào)波形特點(diǎn)，查看是否符合閃電波形特征， 判斷是否是閃電信號(hào)。如果接收到的不是閃電信號(hào)則忽略;如果是閃電信號(hào)，則區(qū)分云閃和 云地閃，將云閃或者云地閃信息發(fā)送給時(shí)鐘同步模塊7。時(shí)鐘同步模塊7接收閃電信號(hào)判別 模塊6給出的閃電信息，對(duì)閃電判斷處理單元64給出的云閃和云地閃時(shí)間進(jìn)行GPS時(shí)鐘同 步，給出精確閃電時(shí)間。
[0057]所述的閃電信號(hào)判別模塊6采用FPGA器件和DSP器件相結(jié)合的方式，F(xiàn)PGA器件具有 豐富的邏輯門資源，利用FPGA構(gòu)建有高速數(shù)字接口控制電路、數(shù)字邏輯判別電路，DSP器件 進(jìn)行閃電波形的數(shù)字信號(hào)處理。閃電信號(hào)判別模塊6根據(jù)接收到的3路磁場信號(hào)和1路電場 信號(hào)進(jìn)行綜合判斷，判定接收到的波形是云閃、云地閃或噪聲信號(hào)。
[0058]閃電信號(hào)判別模塊6對(duì)云地閃和云閃的判別依據(jù)如下：
[0059]如電磁場信號(hào)符合以下1個(gè)判據(jù)的指標(biāo)，則判定為云閃：
[0060] (1)垂直磁場通道數(shù)字波形符合8/20ys雷電流波形。
[0061]如電磁場信號(hào)均符合以下4個(gè)判據(jù)的指標(biāo)，則判定為云地閃：
[0062] (1)南北向磁場通道數(shù)字波形符合8/20ys雷電流波形；
[0063] (2)東西向磁場通道數(shù)字波形符合8/20ys雷電流波形；
[0064] (3)電場通道數(shù)字波形符合8/20ys雷電流波形；
[0065] (4)非云閃。
[0066]時(shí)鐘同步模塊7采用高精度GPS時(shí)鐘同步，10MHz恒溫晶振，提供計(jì)數(shù)時(shí)鐘，保證時(shí) 間精度達(dá)到100nS。
[0067]閃電信號(hào)在經(jīng)過時(shí)鐘同步模塊7后，確定閃電GPS的同步時(shí)間，然后將閃電數(shù)據(jù)發(fā) 往數(shù)據(jù)處理中心站20。
[0068]數(shù)據(jù)處理中心站20接收到各個(gè)探測子站上傳的數(shù)據(jù)，按照數(shù)據(jù)類型分別存儲(chǔ)到不 同的閃電數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)利用空間測向算法和三維時(shí)差算法計(jì)算出閃電的三維地理位置和 時(shí)間后也存儲(chǔ)到閃電數(shù)據(jù)庫中。閃電數(shù)據(jù)庫包括探測子站狀態(tài)數(shù)據(jù)、探測子站閃電數(shù)據(jù)和 閃電定位結(jié)果數(shù)據(jù)。探測子站的狀態(tài)數(shù)據(jù)是為了遠(yuǎn)程中心站實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)探測子站的運(yùn)行 狀態(tài):如探測站正常、探測站狀態(tài)缺失、探測站背景噪聲超標(biāo)、探測站故障等;探測子站的閃 電數(shù)據(jù)中包括閃電的波形數(shù)據(jù)、閃電的GPS絕對(duì)時(shí)間、探測站的經(jīng)煒度、閃電類型等；閃電定 位結(jié)果數(shù)據(jù)包括定位出來的閃電的時(shí)間、經(jīng)煒度、高度、強(qiáng)度、定位方式、定位誤差、閃電類 型等。
[0069] 所述的三維時(shí)差算法為:利用多個(gè)觀測站接收到的信號(hào)到達(dá)時(shí)間對(duì)輻射源進(jìn)行定 位。
[0070] 已知三維全閃電探測定位系統(tǒng)中各探測子站的空間位置為(xnynzO，閃電信號(hào) 到達(dá)各探測子站的時(shí)間為ti，i = 0，l，2,3…N-1。其中i =0表示主站，i = 1，2，3…N-1表示副 站。設(shè)閃電發(fā)生的位置為(x，y，z)，閃電信號(hào)到主站的距離為R〇,到達(dá)副站的距離為心，三維 時(shí)差定位方程可寫為：
[0071]
[0072] 式中i = l，2,3…N-1，方程中包含有x、y、z、t四個(gè)未知量，因此根據(jù)四個(gè)探測子站 接收到的數(shù)據(jù)即可求解出這四個(gè)未知量，得到閃電發(fā)生的位置及時(shí)間。
[0073]本發(fā)明利用VLF/LF頻段接收天線，實(shí)現(xiàn)云閃、云地閃同步監(jiān)測。利用多個(gè)由VLF/LF 接收天線系統(tǒng)、多通道信道采集處理系統(tǒng)、FPGA閃數(shù)據(jù)識(shí)別處理系統(tǒng)、GPS時(shí)鐘同步系統(tǒng)等 構(gòu)成的全閃電探測子站，完成對(duì)VLF/LF頻段云閃、云地閃信號(hào)的接收、分析、處理與傳輸。系 統(tǒng)中心站處理系統(tǒng)根據(jù)多個(gè)VLF/LF探測子站上傳的閃電信息，利用3D-T0A算法對(duì)閃電的輻 射源進(jìn)行精確三維定位，同時(shí)將定位結(jié)果三維顯示在地理信息系統(tǒng)上，實(shí)現(xiàn)三維閃電的實(shí) 時(shí)監(jiān)測與預(yù)警、設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控、數(shù)據(jù)資料及服務(wù)產(chǎn)品共享等功能，為開展閃電的監(jiān)測預(yù)警、 雷電災(zāi)害調(diào)查以及雷擊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等提供通用的應(yīng)用平臺(tái)。
[0074] 利用VLF/LF測量云地閃、VHF測量云閃，將這兩個(gè)系統(tǒng)同步融合，也能達(dá)到測量全 閃電的目的。但是本發(fā)明僅使用一個(gè)天線系統(tǒng)、增加了一路垂直磁場測量方式即能完成全 閃電的測量，更便于實(shí)現(xiàn)，并有更好的一致性。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于VLF/LF三維全閃電探測定位系統(tǒng)，其特征在于：所述的探測定位系統(tǒng)包含 一個(gè)數(shù)據(jù)處理中心站(20)與N個(gè)安裝在不同位置的探測子站……，謂）4彡44個(gè)探 測子站Y型布置;N個(gè)探測子站通過有線路由（31)或無線基站(32)接入廣域網(wǎng)，通過廣域網(wǎng) 將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心站(20)，數(shù)據(jù)中心站(20)接收到各個(gè)探測子站……，1N)的 探測數(shù)據(jù)后，通過三維閃電定位算法，得到閃電輻射源的三維位置。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于VLF/LF三維全閃電探測定位系統(tǒng)，其特征在于:所述的探 測子站包括VLF/LF天線采集模塊(4)、信道處理模塊(5)、閃電信號(hào)判別模塊(6)、時(shí)鐘同步 模塊(7)，以及數(shù)據(jù)發(fā)送模塊(8); VLF/LF天線采集模塊(4)的輸出端連接信道處理模塊(5)的輸入端，信道處理模塊(5) 的輸出端連接閃電信號(hào)判別模塊(6)的輸入端，閃電信號(hào)判別模塊(6)的輸出端連接時(shí)鐘同 步模塊(7)的輸入端、時(shí)鐘同步模塊(7)的輸出端連接數(shù)據(jù)發(fā)送模塊(8)的輸入端，數(shù)據(jù)發(fā)送 模塊(8)通過有線或者無線的方式將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)處理中心站(20); VLF/LF天線采集模塊(4)采集磁場、電場、GPS信號(hào)后傳輸給信道處理模塊(5);信道處 理模塊(5)將各路信號(hào)處理后傳輸給閃電信號(hào)判別模塊(6);閃電信號(hào)判別模塊(6)根據(jù)云 閃特征、云地閃特征判別出云閃、云地閃后，時(shí)鐘同步模塊(7)將閃電信號(hào)打上時(shí)間標(biāo)簽，傳 輸給數(shù)據(jù)發(fā)送模塊(8)，數(shù)據(jù)發(fā)送模塊(8)將閃電數(shù)據(jù)發(fā)往數(shù)據(jù)處理中心站(20)。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于VLF/LF三維全閃電探測定位系統(tǒng)，其特征在于：所述的 VLF/LF天線采集模塊(4)包括磁場天線、電場天線和GPS天線(46);所述的電場天線由兩塊 平板電容(44、45)組成;兩塊平板電容(44、45)上下相對(duì)布置，兩塊平板電容(44、45)之間布 置有4個(gè)支柱(47)，通過4個(gè)支柱(47)和緊固螺絲(48)支撐固定;GPS天線(46)固定在位于上 部的第一平板電容(44)上;磁場天線固定在支柱(47)的外側(cè)面；電場天線測量閃電發(fā)生時(shí) 的電場信號(hào);GPS天線(46)采集GPS系統(tǒng)的對(duì)時(shí)信號(hào)。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于VLF/LF三維全閃電探測定位系統(tǒng)，其特征在于:所述的磁 場天線由測量水平磁場的南北向磁場環(huán)天線(41)和東西向磁場環(huán)天線(42)、測量垂直方向 磁場環(huán)天線（43)組成；南北向磁場環(huán)天線(41)、東西向磁場環(huán)天線(42)和垂直方向磁場環(huán) 天線(43)兩兩正交;南北向磁場環(huán)天線(41)、東西向磁場環(huán)天線(42)和垂直方向磁場環(huán)天 線(43)分別固定在三根支柱(47)的外表面;南北向磁場環(huán)天線(41)與地理南北向重合，東 西向磁場環(huán)天線（42)與地理東西向重合，垂直方向磁場環(huán)天線(43)與地理水平面平行；南 北向磁場環(huán)天線(41 )、東西向磁場環(huán)天線(42 )、垂直方向磁場環(huán)天線(43)的形狀相同、面積 相同，線圈匝數(shù)相同，通道增益相同；三個(gè)磁場環(huán)天線測量三維方向的磁場信號(hào)。5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于VLF/LF三維全閃電探測定位系統(tǒng)，其特征在于:組成所述 電場天線的兩塊平板電容(44、45)為敷銅的電路板，兩塊電路板上均布置有信號(hào)線;第一平 板電容(44)上布置有GPS信號(hào)連接線，第二平板電容(45)上布置有南北向磁場信號(hào)線、東西 向磁場信號(hào)線、垂直磁場信號(hào)線、GPS信號(hào)線和電場信號(hào)線，所有信號(hào)線均與總線通道(49) 連接，總線通道(49)焊接在第二平板電容(45)上，通過總線通道(49)傳輸所采集的信號(hào)至 信號(hào)信道處理模塊(5)。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于VLF/LF三維全閃電探測定位系統(tǒng)，其特征在于:所述的基 于VLF/LF三維全閃電探測定位系統(tǒng)采用垂直通道磁場測量云閃信號(hào)。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于VLF/LF三維全閃電探測定位系統(tǒng)，其特征在于：所述的 VLF/LF天線采集模塊能夠同時(shí)探測云閃以及云地閃電磁波信號(hào)。
【文檔編號(hào)】G01R29/08GK105974207SQ201610290984
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年5月5日
【發(fā)明人】肖芳, 馬啟明, 苑尚博, 周曉, 宋佳軍
【申請(qǐng)人】中國科學(xué)院電工研究所