CN102288838B - 一种vhf频段云闪雷电探测定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种VHF频段云闪雷电探测定位系统，该系统包括一个中心处理站和多个放置在不同位置的探测处理子站，探测处理子站与中心处理站通过无线或有线方式接入公众广域网；通过广域网，一方面探测处理子站将获得的云闪雷电探测数据上传至中心处理站，另一方面实现中心处理站对各个探测处理子站工作状态的远程监控。该系统可对同时发生的多个雷电辐射源或同一雷电辐射源经不同传播路径到达探测子站的雷电辐射信号的入射方向进行精确估计，并在中心处理站计算任意两个探测处理子站之间的雷电信号的到达时间差(TDOA估计)，然后使用DOA和TDOA信息确定云闪雷电辐射源的空间位置。

Description

一种VHF频段云闪雷电探测定位系统

技术领域

本发明属于雷电监测预警技术研究领域，涉及一种VHF频段云闪雷电探测定位系统。

背景技术

随着相位干涉仪技术的发展和逐步成熟，以及雷电气象学和雷电灾害探测预报的实际应用需要，二十世纪80年代中期，法国Vaisala公司推出了工作于VHF频段的雷电探测定位系统——SAFIR系统，并逐步在世界多个国家和地区投入运用，我国也于本世纪初引进三套SAFIR3000系统并分别部署于北京、上海和武汉三地，该系统能够自动、连续、实时地监测云闪雷电的发生情况。二十世纪90年代以来，随着GPS技术和信号处理技术的发展，美国研制出采用时差法和磁定向法相结合的LDAR系统(LightningDetection and Ranging)并应用于肯尼迪航天中心，为航天发射过程中的雷电监测和预报提供了一种技术手段。此外，美国Los Alamos国家实验室于1997年在FORTE卫星上装载了VHF频段接收机和光学探测系统OLS，通过对电信号和光信号的接收与分析来获得从卫星上观测和识别雷电的能力。

我国于二十世纪80年代末期开始雷电探测定位技术的研究，从引进消化到自主开发，形成了一定技术能力。董万胜等人利用两个天线构成宽带干涉仪来对闪电进行观测，实现了雷电发生位置、辐射频谱、电场变化等多个观测量的记录。郄秀书等人研究了基于短基线到达时间(TOA)的闪电定位技术，分析了闪电发生初始阶段和活跃阶段的通道发展情况以及辐射源的定位情况。目前，中国华云公司研制的针对LF/VLF频段地闪雷电探测定位的系统——LD-II型雷电定位系统、中科院空间科学中心研制的“时差测向混合高精度系统”，以及国家电力部门针对高压输电网雷击探测的地闪雷电定位系统已在国内投入使用。

到目前为止，国内不管是从宽带干涉仪还是窄带干涉仪基础上发展起来的雷电探测定位系统，均没有针对大数据量云闪雷电信号采集、检测、信号到达方向估计、信号到达时间差估计等关键环节与成套系统实现技术方面的专利。同时，目前我国真正掌握并投入实际应用的雷电探测定位系统，全部是针对低频/甚低频地闪雷电的，还没有出现专门针对云闪雷电的观测定位系统。

发明内容

本发明的目的在于设计实现一种VHF频段云闪雷电探测定位系统，该系统可对同时发生的多个雷电辐射源或同一雷电辐射源经不同传播路径到达探测子站的雷电辐射信号的入射方向进行精确估计(DOA估计)，并在中心处理站计算任意两个探测处理子站之间的雷电信号的到达时间差(TDOA估计)，然后使用DOA和TDOA信息确定云闪雷电辐射源的空间位置。

本发明提供的一种VHF频段云闪雷电探测定位系统，其特征在于，该系统包括一个中心处理站和多个放置在不同位置的探测处理子站，探测处理子站与中心处理站通过无线或有线方式接入公众广域网；通过广域网，一方面探测处理子站将获得的云闪雷电探测数据上传至中心处理站，另一方面实现中心处理站对各个探测处理子站工作状态的远程监控；

每个探测处理子站完成GPS/北斗卫星授时和时钟同步、VHF频段雷电信号的阵列接收、采集、信号过门限检测和信号二维波达方向TDOA估计，然后将获得的实时雷电波形数据、协方差矩阵数据、阵列校准数据和时标数据进行组帧与本地缓存，最后通过广域网将上述各类数据上传到中心处理站；

中心处理站接收到各个探测处理子站上传的数据后，首先按照数据类型存入云闪雷电数据库中，然后再从该数据库中取出同一时间段内对应于各个探测处理子站的雷电波形数据并计算同一个雷电脉冲信号到达任意两个探测处理子站的时间差，接着利用各个探测处理子站对应于同一雷电脉冲信号的DOA信息和TDOA信息来建立DOA/TDOA组合定位方程，最终解算出发生云闪雷电的空间点坐标。

本发明系统利用VHF频段阵列天线和射频阵列接收机、FPGA/DSP构成的数字信号处理硬件平台完成VHF频段雷电信号接收、处理、传输与控制。系统中使用先进的空间谱估计技术快速精确测量雷电信号到达各个探测处理子站的方位角和俯仰角(DOA估计)，可实现对同时发生的多个雷电辐射源或同一雷电辐射源经不同传播路径到达探测子站的信号入射方向的精确估计，这是与现有的各种雷电测向技术完全不同的。此外，系统还采用GPS/北斗卫星高精度授时技术、PCI-DMA总线技术与FTP网络传输技术将带有高精度时间标记的雷电波形和前述求得的雷电信号到达方向数据上传至中心处理站，然后在中心处理站计算任意两个探测处理子站之间的雷电信号到达时间差(TDOA估计)，并基于DOA和TDOA信息实现对云闪雷电辐射源的空间定位。

本发明采用VHF频段阵列天线、VHF频段阵列接收机、可以以FPGA和DSP作为主处理器并配置大容量板载存储器的数字处理硬件平台，以及PXI嵌入式工控机等构成完整的云闪雷电探测处理子站，而中心处理站采用多台互联的通用计算机构成。探测处理子站与中心站之间采用FTP方式通过公众广域网络互联，传输各类雷电观测数据和对子站的双向监控信息，摆脱了对数据传输专用网络的依赖，极大地降低了建网成本和系统运行费用。系统具有以下特点：

(1)构成一个完整的VHF频段雷电探测定位系统，可实现对VHF频段云闪雷电信号的连续、不间断观测和定位。记录连续雷电信号的时间可长达数小时而不丢失数据。

(2)系统硬件复杂度低，建网成本和系统运行费用低，可扩展性强。

(3)每个探测处理子站能对雷电信号来波方向进行高精度、超分辨率的观测，中心处理站直接解算雷电信号到达任意两个探测处理子站的时间差(TDOA)，不需要探测处理子站提供信号到达时间(TOA)信息。

(4)中心处理站采用组合TDOA和DOA信息来计算云闪雷电发生点的空间坐标；也可以只利用TDOA信息计算雷电发生点位置，而使用DOA信息来判别和剔除虚假定位点。

本发明与其它方法或装置的特点比较有：

(1)提出了一种基于8元均匀圆阵的VHF频段云闪雷电信号到达方向测量的技术和装置，可以对同时发生的多个雷电或同一雷电波经不同路径到达接收点的方向进行高精度、超分辨率的观测，有别于此前已有的各种雷电信号测向技术和装置；

(2)提出了一种简单实用的VHF频段阵列天线和阵列接收通道校准方法和装置，极大地减轻了对接收机各通道幅频/相频特性的一致性要求。

(3)对VHF频段雷电波形数据的连续记录时间长，为VHF频段雷电信号特征分析提供了详实的基础数据。

(4)提出了一整套基于阵列天线、阵列接收机、FPGA/DSP处理平台的VHF频段云闪雷电信号接收、采集、处理、传输、存储和最终定位解算的流程。

(5)探测处理子站与中心处理站之间采用FTP方式通过公众广域网络互联，传输各类雷电观测数据和对子站的双向监控信息，摆脱了对数据传输专用网络的依赖，极大地降低了建网成本和系统运行费用。

附图说明

图1是本发明所指的VHF频段云闪雷电探测定位系统的整体架构；

图2是探测处理子站的功能单元框图；

图3是探测处理子站的数字处理子系统硬件构成框图；

图4是中心处理站的功能单元框图；

图5是探测处理子站中的VHF频段阵列接收天线示意图；

图6是探测处理子站的VHF频段阵列接收单元中的一个模拟接收通道的构成框图；

图7是本发明所指的阵列校准状态与阵列接收状态之间的切换时序图；

图8是本发明所指的VHF频段雷电信号短时能量分布示意图；

图9是利用多个探测处理子站的TDOA/DOA信息进行云闪雷电定位的示意图。

具体实施方式

本发明提出的一种VHF频段云闪雷电探测定位系统，利用VHF频段阵列天线和阵列接收机接收雷电辐射出的超宽带信号中位于290MHz附近的信号，经过模数转换后进行相应的数字信号处理，再将提取的雷电参数上传至中心处理站进行雷电辐射源的定位解算。

如图1所示，本发明系统包括一个中心处理站20和N个放置在不同位置的探测处理子站11、12、13、...、1N，N为正整数，表示探测处理子站的数量。探测处理子站11、12、13、...、1N与中心处理站20通过无线或有线方式接入公众广域网。通过广域网，一方面将探测处理子站11、12、13、...、1N获得的云闪雷电探测数据上传至中心处理站20，另一方面实现中心处理站20对各个探测处理子站11、12、13、...、1N工作状态的远程监控。每个探测处理子站11、12、13、...、1N完成GPS/北斗卫星授时和时钟同步、VHF频段雷电信号的阵列接收、采集、信号过门限检测、信号二维波达方向DOA估计、实时雷电波形/各类探测数据及高精度时标的组帧与本地缓存等操作处理，最后通过广域网将采集到的雷电波形数据、计算得到的信号波达方向数据以及其它相关探测数据上传到中心处理站20。中心处理站20接收到各个探测处理子站11、12、13、...、1N上传的数据后，首先按照数据类型存入云闪雷电数据库中，然后再从该数据库中取出同时间段内对应各个探测处理子站的雷电波形数据并计算同一雷电信号到达任意两个探测处理子站的时间差(TDOA)，接着使用各个探测处理子站对应于同一个雷电辐射源的DOA信息和TDOA信息来建立DOA/TDOA组合定位方程，最终得到发生云闪雷电的空间点坐标。

下面借助实施例更加详细地说明本发明的具体实施方式，但以下实施例仅是说明性的，本发明的保护范围并不受这些实施例的限制。

如图2所示，每个探测处理子站至少包括以下单元：时间频率单元101、VHF频段阵列天线102、VHF频段阵列接收单元103、高速同步采集单元104、VHF频段阵列校准信号与本振发生单元105、探测处理子站数字处理子系统106和嵌入式控制器107。

时间频率单元101采用GPS/北斗卫星授时技术为探测处理子站中的模拟和数字电路提供10MHz基准参考信号，以及标准秒脉冲信号(1PPS脉冲)和通用协调时信息(UTC信息)，同时还输出5MHz、10MHz和50MHz同步时钟。其中，1PPS脉冲的上升沿抖动均值小于50ns，使得探测处理子站的时间标记分辨率达到20ns、各个探测处理子站之间的时钟同步精度优于50ns，从而确保整个云闪雷电探测定位系统的同步性。

如图5所示，VHF频段阵列天线102由九个完全相同的VHF频段全向天线构成，其中编号为1～8的八个天线按照均匀圆阵方式排列，编号1天线与编号5天线的连线为正东-正西指向，相邻天线之间的距离不超过接收信号中心频率对应波长的一半，构成一个八元均匀圆阵；编号9天线位于圆阵的中心点，作为阵列校准信号的全向发射天线。每个全向天线可为单极子天线或对偶极子天线，并在此基础上增加有限接地面或变形为套筒天线结构以进一步改善天线水平面全向辐射特性、增大垂直面波束宽度并保证波瓣不出现分裂、改善宽带驻波比特性、减弱周围环境对天线性能的影响、减小天线之间的电磁互耦效应。采用九根特性阻抗为50欧姆的同轴电缆将天线阵元与位于室内的八个接收通道及一个阵列校准信号发生器相连，每根同轴电缆中串接一个外壳接大地的雷击浪涌保护器，以减弱或消除强脉冲或雷电流对室内单元的影响。

图6是VHF频段阵列接收单元103所包含的八个并行模拟接收通道的任一个的构成框图，每个探测处理子站包含八个这样的模拟接收通道。每个模拟接收通道包括PIN管防雷击限幅器、VHF频段声表面波带通滤波器、低噪声放大器、模拟下变频器、中频声表面波带通滤波器、增益可调的数控放大器、单端转差分电路和差分低通滤波器串联而成，各模拟接收通道之间的幅频和相频不一致性分别应小于3dB和20°。各接收通道的模拟下变频器所需本振由图2中的VHF频段阵列校准信号与本振发生单元105提供，该单元同时还产生单频阵列校准信号并输出至图2中的VHF频段阵列天线102中的编号为9的天线上，然后发射向空中。

模拟接收通道将VHF频段阵列天线接收到的中心频率为290MHz的射频信号无失真变换为适合模数转换的模拟中频信号，该中频信号的中心频率为61MHz、带宽不超过1MHz。

高速同步采集单元104以50MHz采样频率对VHF频段阵列接收单元103输出的八路中心频率为61MHz、带宽不超过1MHz的模拟中频信号进行同步欠采样和量化(量化位数不低于12bit)后，得到中心频率为11MHz的八路数字中频信号，然后输入到探测处理子站数字处理子系统106中。这八路数字中频信号均为速率不低于600Mbps的高速串行数据流。

探测处理子站数字处理子系统106至少又包括以下功能单元：数字预处理单元、高精度时间标记单元、雷电信号检测单元、通道一致性校准单元、数据缓存与控制单元、信号波达方向估计单元、数据组帧与传输控制单元。

图3是探测处理子站数字处理子系统106的硬件构成框图，它主要由两片FPGA芯片FPGA-A、FPGA-B、两片DSP芯片DSP-A、DSP-B以及大容量SDRAM存储条、PXI总线接口控制器、PXI总线、外部接口构成。其中，FPGA-A主要完成数字预处理、高精度时间标记、雷电信号检测、通道一致性校准、信号波达方向估计、数据缓存与控制等功能，FPGA-B主要完成数据组帧与传输控制、PXI总线接口控制等功能，两片DSP芯片作为协处理器，辅助两片FPGA芯片完成通道一致性校准和信号波达方向估计中的复杂数学运算。

数字预处理单元：主要完成八路高速串行数据流的同步接收和数字下变频处理。其中：

①八路高速串行数据流的同步接收：首先执行测试模式获得八路高速串行数据流之间的时钟相位偏差量，然后通过时钟相位微调机制锁定每路串行数据流接收器的位时钟相位，实现对八路不低于600Mbps速率的串行数字中频信号的同步接收，再经串-并变换得到八路50Msps速率的并行数字中频信号。

②数字下变频处理：对前述得到的八路并行数字中频信号进行FIR带通滤波以滤除直流和带外谐波失真分量，然后进行正交数字下变频、低通滤波和5倍抽取，得到数据率为5Msps、中心频率为1MHz的八路中频数字信号x_i(n)＝I_i(n)-jQ_i(n)，i＝1，2，…，8，

I_i(n)、Q_i(n)表示第i通道在n时刻输出的同相和正交分量，为后续的雷电信号检测、波形特征参量提取、DOA估计、数据传输等提供带宽合适、信噪比高、数据率低的波形数据。由于天线接收的雷电信号不具备关于中心频率共轭对称的特性，因此为了防止出现频谱混迭，不能变频为零中频的同相/正交信号。

通道一致性校准单元：该单元在图2所示的VHF频段阵列校准信号和本振发生单元105的配合下，完成对图2所示的VHF频段阵列天线102、VHF频段阵列接收单元103、高速同步采集单元104级连而成的八通道阵列接收前端的幅度、相位不一致性的校准补偿处理。该单元包含阵列校准状态与阵列正常接收状态之间的周期性切换控制模块、VHF频段阵列校准信号接收抗干扰模块、阵列通道幅/相不一致性系数计算模块、阵列通道幅/相不一致补偿模块。其中：

①阵列校准信号可以为单频、多频或带通调制信号，其频率可调范围为286MHz-294MHz，其发射功率以保证八个接收通道接收此信号时无谐波失真且信噪比尽量高为准。为简化起见，可以采用单频正弦波(如290MHz)作为阵列校准信号，该信号由图2所示的VHF频段阵列校准信号和本振发生单元105产生并输出到VHF频段阵列天线的第九个天线上。

②阵列校准状态与阵列正常接收状态之间的周期性切换控制模块：该模块预设一定比例的阵列校准时间和阵列接收时间(例如，时间比例为1∶60或1∶120)，并周期性地使阵列天线和阵列接收通道在这两个状态间进行切换。如图7所示，阵列校准状态包括接收通道本底噪声测量阶段、校准信号发射功率调整阶段、阵列校准测量阶段、校准参数传输阶段；在阵列接收状态，利用前一状态期间得到的阵列接收通道幅相不一致性系数对数字预处理单元输出的八路同相/正交中频数字信号进行幅度/相位一致性补偿。

③VHF频段阵列校准信号接收抗干扰模块：在阵列校准状态期间，取第i个接收通道输出的中频数字信号x_i(n)＝I_i(n)-jQ_i(n)，计算下述“脉冲干扰度因子α”：

$\mathrm{\α}=\frac{A_{\max }-A_{\min }}{A_{\max }+A_{\min }}$

其中，

表示该接收通道在n时刻输出信号的瞬时功率，A_max和A_min分别为A_i(n)在一定时间内统计得到的最大值和最小值。当α≥ε(ε为一个小于1的正数，例如取ε＝0.05)时，表明本次阵列校准过程受到雷电脉冲或其它外界脉冲的干扰，须停止后续的通道幅/相不一致性系数计算过程，等待下一次阵列校准状态的来临；当α＜ε时，表明本次阵列校准过程未受到雷电脉冲或其它外界脉冲的干扰，可以进入阵列校准测量阶段来计算通道幅/相不一致性系数。

④阵列通道幅/相不一致性系数计算模块：在阵列校准测量阶段，以第一接收通道作为参考通道，利用各个接收通道输出的中频数字信号，按照下述公式计算第1至第8通道的幅/相不一致性系数g_i：

$g_i=\frac{\underset{n=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i\left(n\right)x_1^{*}\left(n\right)}{\underset{n-1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{x}_1\left(n\right)x_1^{*}\left(n\right)},$ i＝1，2，…，8

其中，x_i(n)＝I_i(n)-jQ_i(n)为第i接收通道输出的中频数字信号，星号表示求共扼，M为累积点数(M≥200)。

⑤阵列通道幅/相不一致补偿模块：在阵列接收状态，按照下述公式对第1至第8通道输出的中频数字信号进行幅/相不一致性实时补偿，得到补偿后的中频数字信号y_i(n)：

$y_i=\left(n\right)=I_i^{\′}\left(n\right)-j{Q}_i^{\′}\left(n\right)=\frac{1}{g_i}\·x_i\left(n\right),$ i＝1，2，…，8

雷电信号检测单元：该单元对补偿后的中频数字信号y_i(n)计算其短时能量、恒虚警检测及二次量化、抗杂散脉冲干扰处理、标记时间信息以形成完整的雷电波形数据帧。其中：

①短时能量计算：使用任意一个接收通道输出的补偿后的中频数字信号y_i(n)，按照下述公式计算信号短时能量E_s或包络短时能量E_e：

信号短时能量： $E_s=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i^{\′2}\left(n\right),$ 或 $E_s=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i^{\′2}\left(n\right)$

包络短时能量： $E_e=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[I_i^{\′2}\left(n\right)+Q_i^{\′2}\left(n\right)]$

其中，N为计算短时能量所取的信号点数(对于云闪雷电信号检测而言，取N＝200)。该段信号称之为一个数据帧。

②雷电信号恒虚警检测与二次量化处理：将该短时能量值与前述阵列校准状态时依据接收通道本底噪声测量结果而获得的动态门限值进行比较，来完成雷电信号的恒虚警检测(CFAR)：当短时能量值大于动态门限值时，判定该数据段包含有雷电信号脉冲，否则为无雷电数据段。动态门限值取为比接收通道本底噪声短时能量高12～15dB。然后，以该数据段的短时能量值为依据，对该段信号数据进行无信噪比损失的截位，即二次量化，以达到降低数据有效位宽目的。

③在进行上述雷电信号检测时，若设备内部出现随机杂散脉冲干扰，则须同时对两个以上接收通道输出的中频数字信号y_i(n)计算其短时能量并进行过门限检测，以达到降低检测虚警概率的目的。

④标记高精度时间信息形成雷电波形数据帧：使用时间频率单元101输出的1PPS脉冲和UTC时间信息，在图2所示的高精度时间标记单元中，将前述检测为包含雷电脉冲信号的数据段标记上时间信息，形成完整的雷电波形数据帧。

图7给出了一个对持续时间55秒的中频数字信号y_i(n)进行短时能量计算的例子，每个短时能量值都是对长度为200点的数据段的计算结果。由此可知，使用“短时能量”这一参数可以很好地区分有、无雷电发生的情况。当每个数据段的长度为N＝200时，对应的检测窗口宽度为40us。改变N值可以调整对连续出现的短脉冲串的检测敏感度。

数据缓存与控制单元：该单元将已判定为有雷电的八路雷电波形数据帧送至下述信号波达方向估计单元，以便进行信号波达方向估计；同时，将其中任意一路雷电波形数据帧缓存于图3所示的SDRAM存储条上。此外，该单元还将通道一致性校准单元获得的八通道幅度/相位不一致性系数g_i、八通道相对功率、动态检测门限值、阵列校准时间信息等数据组帧后缓存于该存储条上。

信号波达方向估计单元：该单元使用来自数据缓存与控制单元的八路雷电波形数据帧，利用改进的多重信号分类算法(MUSIC算法)进行空间谱估计，获得该数据帧所对应的雷电信号波达方向。其中：

①计算实对称协方差矩阵：首先，按以下方式对八路雷电波形数据帧进行实数化变换得到新的八路雷电数据z₁(n)、z₂(n)、z₃(n)、z₄(n)、z₅(n)、z₆(n)、z₇(n)、z₈(n)：

$\left\{\begin{array}{c}{z}_1\left(n\right)=I_1^{\′}\left(n\right)+I_8^{\′}\left(n\right)\\ z_2\left(n\right)=I_2^{\′}\left(n\right)+I_7^{\′}\left(n\right)\\ z_3\left(n\right)=I_3^{\′}\left(n\right)+I_6^{\′}\left(n\right)\\ z_4\left(n\right)=I_4^{\′}\left(n\right)+I_5^{\′}\left(n\right)\\ z_5\left(n\right)=Q_8^{\′}\left(n\right)-I_1^{\′}\left(n\right)\\ z_6\left(n\right)=Q_7^{\′}\left(n\right)-I_2^{\′}\left(n\right)\\ z_7\left(n\right)=Q_6^{\′}\left(n\right)-Q_3^{\′}\left(n\right)\\ z_8\left(n\right)=Q_5^{\′}\left(n\right)-Q_4^{\′}\left(n\right)\end{array}\right.$

然后，按下式计算协方差矩阵R_ZZ＝{R(u，v)}_8×8：

$R(u,v)=\left\{\begin{array}{cc}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{z}_u\left(n\right)\&CenterDot;z_v\left(n\right),& u,v=\mathrm{1,2},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,8,u\&GreaterEqual;v,\\ R(v,u),& u,v=\mathrm{1,2},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,8,u<v\end{array}\right.$

其中，R(u，v)表示协方差矩阵R_ZZ的第u行、第v列元素值；

②构造空间谱函数并搜索谱峰，得到该数据帧所对应雷电信号的波达方向：对上述协方差矩阵进行特征值分解得到特征值和特征矢量，并利用特征矢量构造信号子空间和噪声子空间，然后将它们与八元均匀圆阵天线对应的阵列流型矢量一起构造出空间谱函数并进行二维搜索，最终得到该数据帧的以下信息：雷电脉冲信号个数、每个雷电脉冲信号的入射方位角和俯仰角、每个雷电脉冲信号的相对功率。

该单元进行的上述所有计算，分别在图3所示的FPGA-A、FPGA-B和DSP-B中完成。

数据组帧与传输控制单元：该单元对前述各单元获得的以下四大类观测数据进行组帧、本地缓存，然后经由PXI总线传送到图2中的嵌入式控制器107的硬盘中：

①带有分辨率为20ns时标信息的阵列校准数据，包括阵列校准时间、八通道幅/相不一致性系数、八通道相对功率、动态门限值；

②带有分辨率为20ns时标信息的某一个接收通道输出的雷电波形数据帧；

③带有分辨率为20ns时标信息的实对称协方差矩阵；

④带有分辨率为20ns时标信息的雷电信号波达方向数据，包括雷电信号个数、每个雷电信号的入射方位角和俯仰角、每个雷电信号的相对功率。

图2中的嵌入式控制器107将存储于本地硬盘中的以上四类数据，按照文件传输协议(FTP)方式上传至图1中的中心处理站20。

如图4所示，中心处理站至少包括以下单元：路由器201、防火墙202、通信与监控服务器203、云闪雷电数据库204、TDOA计算服务器205和云闪雷电定位解算服务器206。

各个探测处理子站11、12、13、...、1N得到的云闪雷电探测数据通过广域网到达路由器201，经防火墙202隔离无效IP数据包后，将有效IP数据包送至通信与监控服务器203，然后通过交换机207存入云闪雷电数据库204，TDOA计算服务器205通过交换机207访问云闪雷电数据库204，得到带有时间标记信息的雷电波形数据，然后计算云闪雷电信号到达任意两个探测处理子站的时间差(TDOA)并将计算结果重新存放到云闪雷电数据库204中。云闪雷电定位解算服务器206通过交换机207访问云闪雷电数据库存204，读取其中的DOA和TDOA数据，然后利用这些数据建立基于雷电信号的DOA和TDOA信息的组合定位方程，最终解算得到云闪雷电发生点(或空间区域)的空间坐标。

TDOA计算服务器205首先从云闪雷电数据库204中检索读取并拼接各个探测处理子站上传的雷电波形数据，检索、读取和拼接的依据是雷电波形数据帧所携带的时间标记及数据帧个数。通过计算任意两个探测处理子站上传的雷电波形之间的互相关系数，得到同一时间段内各探测处理子站记录的同源雷电脉冲队列，再通过雷电信号到达时间差TDOA计算程序得到雷电信号到达任意两个探测处理子站(例如，第p、q两个探测处理子站)的时间差Δτ_pq；接着将位于相同时间段内的TDOA信息、探测处理子站上传的DOA信息放于一个数据集中，得到对于同一雷电辐射源的TDOA/DOA数据集合(Δτ_pq，

θ_p)；最后，按照图9方式，依据各个探测处理子站的位置坐标和TDOA/DOA数据集合(Δτ_pq，θ_p)，建立组合定位方程组，通过迭代计算得到雷电辐射源的空间坐标(x，y，z)。所建立的组合定位方程组包括以下三类定位方程：

①基于雷电信号到达任意两个探测处理子站的时间差信息而建立的旋转对称双曲面方程：

$\sqrt{{(x_p-x)}^2+{(y_p-y)}^2+{(z_p-z)}^2}-\sqrt{{(x_q-x)}^2+{(y_q-y)}^2+{(z_q-z)}^2}=c\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{pq}},$ p，q＝1，2，…，p≠q

②基于雷电信号到达任意探测处理子站的方位角信息而建立的方位平面方程：

p＝1，2，…

③基于雷电信号到达任意探测处理子站的俯仰角信息而建立的圆锥曲面方程：

(x-x_p)²+(y-y_p)²-(z-z_p)²ctg²θ_p＝0，    p＝1，2，…

其中，(x，y，z)为雷电辐射源的空间坐标，(x_p，y_p，z_p)、(x_q，y_q，z_q)为第p个和第q个探测处理子站的位置坐标，Δτ_pq为雷电信号到达第p个和第q个探测处理子站的时间差，

是第p个探测处理子站测得的雷电信号的入射方位角和俯仰角，c表示电磁波的传播速度。

本发明不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种VHF频段云闪雷电探测定位系统，其特征在于，该系统包括一个中心处理站和多个放置在不同位置的探测处理子站，探测处理子站与中心处理站通过无线或有线方式接入公众广域网；通过广域网，一方面探测处理子站将获得的云闪雷电探测数据上传至中心处理站，另一方面实现中心处理站对各个探测处理子站工作状态的远程监控；

每个探测处理子站完成GPS/北斗卫星授时和时钟同步、VHF频段雷电信号的阵列接收、采集、信号过门限检测和信号二维波达方向DOA估计，然后将获得的实时雷电波形数据、协方差矩阵数据、阵列校准数据和时标数据进行组帧与本地缓存，最后通过广域网将上述各类数据上传到中心处理站；

中心处理站接收到各个探测处理子站上传的数据后，首先按照数据类型存入云闪雷电数据库中，然后再从该数据库中取出同一时间段内对应于各个探测处理子站的雷电波形数据并计算同一个雷电脉冲信号到达任意两个探测处理子站的时间差，接着使用各个探测处理子站对应于同一雷电脉冲信号的DOA信息和TDOA信息来建立DOA/TDOA组合定位方程，最终解算出发生云闪雷电的空间点坐标；

每个探测处理子站至少包括以下单元：时间频率单元(101)、VHF频段阵列天线(102)、VHF频段阵列接收单元(103)、高速同步采集单元(104)、VHF频段阵列校准信号与本振发生单元(105)、探测处理子站数字处理子系统(106)和嵌入式控制器(107)；

时间频率单元(101)为探测处理子站中的模拟和数字电路提供10MHz基准参考信号、标准秒脉冲信号1PPS和通用协调时信息UTC，同时还输出5MHz、10MHz、50MHz时钟，其中的标准秒脉冲信号1PPS的上升沿抖动均值小于50ns，使得探测处理子站的时间标记的分辨率达到20ns、各个探测处理子站之间的时钟同步精度优于50ns；

VHF频段阵列天线(102)由九个相同的VHF频段全向天线构成，其中编号1至8的八个全向天线按照均匀圆阵方式排列，编号1天线与编号5天线的连线为正东-正西指向，相邻天线之间的距离不超过接收信号中心频率对应波长的一半，构成一个八元均匀圆阵；编号9天线位于圆阵的中心点，作为阵列校准信号的发射天线；采用九根特性阻抗为50欧姆的同轴电缆将各个天线与位于室内的八个模拟接收通道及一个阵列校准信号发生器相连，每根同轴电缆中串接一个外壳接大地的雷击浪涌保护器；

VHF频段阵列接收单元(103)内设置有八个模拟接收通道，各模拟接收通道所需本振由VHF频段阵列校准信号与本振发生单元(105)提供，该单元同时还产生单频阵列校准信号并输出至VHF频段阵列天线(102)中的编号9天线上，然后发射向空中；模拟接收通道将VHF频段阵列天线接收到的射频信号无失真变换为适合模数转换的模拟中频信号；

高速同步采集单元(104)对VHF频段阵列接收单元(103)输出的八路带宽不超过1MHz的模拟中频信号进行同步欠采样和量化后，得到八路数字信号，然后输入到探测处理子站的数字处理子系统（106）中；

探测处理子站数字处理子系统(106)对输入的八路数字信号进行数字预处理后，得到八路中频数字信号x_i(n)=I_i(n)-jO_i(n)，i＝1,2,…,8，其中，

I_i(n)和Q_i(n)分别表示第i通道数字预处理输出信号在n时刻的同相和正交分量；接着进行雷电信号检测、时间标记、阵列通道一致性校准﹑数据缓存与控制、雷电信号波达方向估计，得到实时雷电波形数据、阵列校准数据、协方差矩阵数据和雷电信号波达方向数据，然后组帧上传到嵌入式控制器(107)的本地硬盘中；

嵌入式控制器(107)将存储于本地硬盘中的包括雷电波形数据、阵列校准数据、协方差矩阵数据和雷电信号波达方向数据在内的全部观测数据按照文件传输协议方式上传至中心处理站。

2.根据权利要求1所述的一种VHF频段云闪雷电探测定位系统，其特征在于，

中心处理站至少包括以下单元：路由器(201)、防火墙(202)、通信与监控服务器(203)、云闪雷电数据库(204)、TDOA计算服务器(205)和云闪雷电定位解算服务器(206)；

各个探测处理子站得到的云闪雷电探测数据通过广域网到达路由器(201)，经防火墙(202)隔离无效IP数据包后，将有效IP数据包送至通信与监控服务器(203)，然后经交换机(207)存入云闪雷电数据库(204)；

TDOA计算服务器(205)通过交换机(207)访问云闪雷电数据库(204)，得到带有时间标记信息的雷电波形数据，然后计算云闪雷电信号到达任意两个探测处理子站的时间差并将此计算结果重新存放到云闪雷电数据库(204)中；

云闪雷电定位解算服务器(206)通过交换机(207)访问云闪雷电数据(204)库存，读取其中的DOA和TDOA数据，然后使用这些数据建立基于雷电信号的波达方向DOA和到达时间差TDOA信息的组合定位方程，最终解算得到云闪雷电发生点或空间区域的空间坐标。

3.根据权利要求2所述的一种VHF频段云闪雷电探测定位系统，其特征在于，TDOA计算服务器(205)的具体处理过程为：

首先从云闪雷电数据库(204)中检索、读取并拼接各个探测处理子站上传的雷电波形数据，检索、读取和拼接的依据是雷电波形数据帧所携带的时间标记及数据帧个数；通过计算任意两个探测处理子站上传的雷电脉冲波形之间的互相关系数，得到同一时间段内各探测处理子站记录的同源雷电脉冲队列，再通过雷电信号到达时间差TDOA计算程序得到雷电信号到达任意两个探测处理子站p、q子站的时间差Δτ_pq；接着将位于同一时间段内的TDOA信息、DOA信息放于一个数据集中，得到对于同一雷电辐射源的TDOA/DOA数据集合

其中，

θp分别表示第p个探测处理子站测得的雷电信号的入射方位角和俯仰角；最后，依据各个探测处理子站的位置坐标和TDOA/DOA数据集合

建立组合定位方程组，通过迭代计算得到雷电辐射源的空间坐标（x,y,z）。

4.根据权利要求3所述的一种VHF频段云闪雷电探测定位系统，其特征在于，所述组合定位方程组包括以下三类定位方程：

①基于雷电信号到达任意两个探测处理子站的时间差信息而建立的旋转对称双曲面方程：

$\sqrt{{(x_p-x)}^2+{(y_p-y)}^2+{(z_p-z)}^2}-\sqrt{{(x_q-x)}^2+{(y_q-y)}^2+{(z_q-z)}^2}=c\&CenterDot;\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&tau;}}_{\mathrm{pq}},$ p,q=1,2,…,p≠q

②基于雷电信号到达任意探测处理子站的方位角信息而建立的方位平面方程：

p 1,2,…

③基于雷电信号到达任意探测处理子站的俯仰角信息而建立的圆锥曲面方程：

(x-x_p)²+(y-y_p)²-(z-z_p)²ctg²θ_p＝0,    p 1,2,…

其中，（x,y,z）为雷电辐射源的空间坐标，（x_p,y_p,z_p）、（x_q,y_q,z_q）为第p个和第q个探测处理子站的位置坐标，Δτ_pq为雷电信号到达第p个和第q个探测处理子站的时间差，

是第p个探测处理子站测得的雷电信号的入射方位角和俯仰角，c表示电磁波的传播速度。

5.根据权利要求1所述的一种VHF频段云闪雷电探测定位系统，其特征在于，所述VHF频段阵列接收单元(103)中的每个模拟接收通道均包括依次串联的防雷击限幅器、声表面波带通滤波器、低噪声放大器、模拟下变频器、中频声表面波带通滤波器、数控放大器、单端转差分电路和差分低通滤波器；各个模拟接收通道的模拟下变频器所需本振由VHF频段阵列校准信号与本振发生单元(105)提供。

6.根据权利要求1所述的一种VHF频段云闪雷电探测定位系统，其特征在于，

探测处理子站数字处理子系统(106)至少包括以下功能单元：数字预处理单元、高精度时间标记单元、雷电信号检测单元、通道一致性校准单元﹑数据缓存与控制单元、信号波达方向估计单元、数据组帧与传输控制单元；

数字预处理单元完成对输入的八路高速串行数据流x_i(n)，i＝1,2,…,8进行同步接收和数字下变频处理；

通道一致性校准单元在VHF频段阵列校准信号和本振发生单元（105）的配合下，完成对VHF频段阵列天线(102)、VHF频段阵列接收单元(103)、高速同步采集单元(104)级连而成的八通道阵列接收前端的幅度/相位不一致性的校准补偿处理，得到校准补偿后的中频数字信号y_i(n),i＝1,2,…,8；

雷电信号检测单元计算中频数字信号y_i(n)的短时能量、恒虚警检测和二次量化、抗杂散脉冲干扰处理、标记高精度时间信息后形成完整的雷电波形数据帧；

数据缓存与控制单元将已判定为有雷电的八路雷电波形数据帧送至信号波达方向估计单元，以便进行信号波达方向估计；同时，将其中任意一路雷电波形数据帧缓存于SDRAM存储条上；此外，该单元还将通道一致性校准单元获得的八通道幅度/相位不一致性系数g_i、八通道相对功率、动态检测门限值、阵列校准时间信息等数据组帧后缓存于该存储条上；

信号波达方向估计单元使用来自数据缓存与控制单元的八路雷电波形数据帧，利用多重信号分类算法进行空间谱估计，获得该数据帧所对应的雷电信号波达方向；

数据组帧与传输控制单元对上述各处理单元获得的各类观测数据进行组帧、本地缓存，然后经由PXI总线传送到嵌入式控制器(107)的本地硬盘中。

7.根据权利要求6所述的一种VHF频段云闪雷电探测定位系统，其特征在于，数据组帧与传输控制单元获得的各类观测数据包括：

①带有分辨率为20ns时标信息的阵列校准数据，包括阵列校准时间、八通道幅度/相位不一致性系数、八通道相对功率、动态门限值；

②带有分辨率为20ns时标信息的某一个接收通道输出的雷电波形数据帧；

③带有分辨率为20ns时标信息的实对称协方差矩阵；

④带有分辨率为20ns时标信息的雷电信号波达方向数据，包括雷电信号个数、每个雷电信号的入射方位角和俯仰角和每个雷电信号的相对功率。

8.根据权利要求6所述的一种VHF频段云闪雷电探测定位系统，其特征在于，通道一致性校准单元包含阵列校准状态与阵列正常接收状态之间的周期性切换控制模块、VHF频段阵列校准信号接收抗干扰模块、阵列通道幅度/相位不一致性系数计算模块、阵列通道幅度/相位不一致补偿模块；

阵列校准信号为单频、多频或带通调制信号，其功率以保证八个接收通道接收此信号时无谐波失真且信噪比尽量高为准；

阵列校准状态与阵列正常接收状态之间的周期性切换控制模块根据预设的阵列校准时间和阵列接收时间比例，周期性地使阵列天线和阵列接收通道在这两个状态间进行切换；阵列校准状态包括接收通道本底噪声测量阶段、校准信号发射功率调整阶段、阵列校准测量阶段和校准参数传输阶段；在阵列接收状态，利用前一状态期间得到的阵列接收通道幅度/相位不一致性系数对数字预处理单元输出的八路中频数字信号进行幅相一致性补偿；

在阵列校准状态期间，VHF频段阵列校准信号接收抗干扰模块任取一个接收通道输出的中频数字信号x_i(n)=I_i(n)-jQ_i(n)，计算下述“脉冲干扰度因子α”：

$\mathrm{\&alpha;}=\frac{A_{\max }-A_{\min }}{A_{\max }+A_{\min }}$

其中，A_i(n)=I_i ²(n)+Q_i ²(n)表示该接收通道在n时刻输出信号的瞬时功率，A_max和A_min分别为A_i(n)在一定时间内统计得到的最大值和最小值；当α≥ε时，表明本次阵列校准过程受到雷电脉冲或其它外界脉冲的干扰，停止后续的通道幅度/相位不一致性系数计算过程，等待下一次阵列校准状态的来临；当α<ε时，表明本次阵列校准过程未受到雷电脉冲或其它外界脉冲的干扰，能够进入阵列校准测量阶段来计算通道幅度/相位不一致性系数，其中，ε为一个小于1的正数；

在阵列校准测量阶段，阵列通道幅度/相位不一致性系数计算模块以第一接收通道作为参考通道，利用各个接收通道输出的中频数字信号x_i(n)，按照下述公式计算各接收通道的幅度/相位不一致性系数g_i：

$g_i=\frac{\underset{n=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_i\left(n\right)x_1^{*}\left(n\right)}{\underset{n=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_1\left(n\right)x_1^{*}\left(n\right)},$ i=1,2,…,8

其中，x_i(n)＝I_i( n)-jQ_i(n)为第i接收通道输出的中频数字信号，星号表示求共扼，M为累积点数，M≥200；

在阵列接收状态，阵列通道幅度/相位不一致补偿模块按照下述公式对各接收通道输出的中频数字信号x_i(n)进行幅度/相位不一致性实时补偿，得到补偿后的中频数字信号y_i(n)：

$y_i\left(n\right)=I_i^{\&prime;}\left(n\right)-j{Q}_i^{\&prime;}\left(n\right)=\frac{1}{g_i}\&CenterDot;x_i\left(n\right),$ i=1,2,…,8。

9.根据权利要求6所述的一种VHF频段云闪雷电探测定位系统，其特征在于，雷电信号检测单元按顺序对补偿后的中频数字信号y_i(n)计算其短时能量、恒虚警检测与二次量化、抗杂散脉冲干扰处理、标记时间信息以形成完整的雷电波形数据帧：

短时能量计算：使用任意一个接收通道输出的补偿后的中频数字信号y_i(n)，按照下述公式计算信号短时能量E_s或包络短时能量E_e：

信号短时能量： $E_s=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{I_i^{\&prime;}}^2\left(n\right),$ 或 $E_s=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Q_i^{\&prime;}}^2\left(n\right)$

包络短时能量： $E_e=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}[{I_i^{\&prime;}}^2\left(n\right)+{Q_i^{\&prime;}}^2\left(n\right)]$

其中，N为计算短时能量所取的信号数据点数；

雷电信号恒虚警检测与二次量化处理：将该短时能量值与前述阵列校准状态时依据接收通道本底噪声测量结果而获得的动态门限值进行比较，完成雷电信号的恒虚警检测：当短时能量值大于动态门限值时，判定该数据段包含雷电脉冲信号，否则为无雷电数据段；动态门限值取为比接收通道本底噪声短时能量高12～15dB；然后，以该数据段的短时能量值为依据，对该段数据进行无信噪比损失的截位，即二次量化；

在进行上述雷电信号检测时，若设备内部出现随机杂散脉冲干扰，则同时对两个以上接收通道输出的中频数字信号y_i(n)计算其短时能量并进行过门限检测，以降低虚警概率；

标记时间信息形成完整的雷电波形数据帧：使用时间频率单元(101)输出的标准秒脉冲信号1PPS和通用协调时信息UTC，在高精度时间标记单元中，将前述检测为包含雷电脉冲的数据段标记上时间信息，形成完整的雷电波形数据帧。

10.根据权利要求6所述的一种VHF频段云闪雷电探测定位系统，其特征在于，信号波达方向估计单元使用八路雷电波形数据帧，利用多重信号分类算法进行空间谱估计，获得该数据帧所对应的雷电信号波达方向；包括以下过程：

首先，按以下方式对八路雷电波形数据帧进行实数化变换得到新的八路雷电数据z₁(n)、z₂(n)、z₃(n)、z₄(n)、z₅(n)、z₆(n)、z₇(n)、z₈(n)：

$\left\{\begin{array}{c}{z}_1\left(n\right)=I_1^{\&prime;}\left(n\right)+I_8^{\&prime;}\left(n\right)\\ z_2\left(n\right)=I_2^{\&prime;}\left(n\right)+I_7^{\&prime;}\left(n\right)\\ z_3\left(n\right)=I_3^{\&prime;}\left(n\right)+I_6^{\&prime;}\left(n\right)\\ z_4\left(n\right)=I_4^{\&prime;}\left(n\right)+I_5^{\&prime;}\left(n\right)\\ z_5\left(n\right)=Q_8^{\&prime;}\left(n\right)-Q_1^{\&prime;}\left(n\right)\\ z_6\left(n\right)=Q_7^{\&prime;}\left(n\right)-Q_2^{\&prime;}\left(n\right)\\ z_7\left(n\right)=Q_6^{\&prime;}\left(n\right)-Q_3^{\&prime;}\left(n\right)\\ z_8\left(n\right)=Q_5^{\&prime;}\left(n\right)-Q_4^{\&prime;}\left(n\right)\end{array}\right.$

然后，按下式计算协方差矩阵R_ZZ={R(u,v)}_8×8：

$R(u,v)=\left\{\begin{array}{cc}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{z}_u\left(n\right)\&CenterDot;z_v\left(n\right),& u,z=\mathrm{1,2},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,8,u\&GreaterEqual;v,\\ R(v,u),& u,v=\mathrm{1,2},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,8,u<v\end{array}\right.$

其中，R(u,v)表示协方差矩阵R_ZZ的第u行、第v列元素值；

最后，构造空间谱函数并搜索谱峰，得到该数据帧所对应雷电信号的波达方向：对上述协方差矩阵进行特征值分解得到特征值和特征矢量，并利用特征矢量构造信号子空间和噪声子空间，然后将它们与八元均匀圆阵天线对应的阵列流型矢量一起构造出空间谱函数并进行二维搜索，最终得到该数据帧的以下信息：雷电信号个数、每个雷电信号的入射方位角和俯仰角、每个雷电信号的相对功率。

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