CN102338830A - 闪电探测定位系统及方法 - Google Patents
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本发明公开了一种闪电探测定位系统及方法，涉及气象探测技术领域。该系统包括：天线单元，用于探测闪电发生时的电磁场变化信号，探测GPS卫星信号，并将电磁场变化信号以及GPS卫星信号发送至接收机单元；接收机单元，用于接收电磁场变化信号以及GPS卫星信号；波形特征提取处理单元，用于实时提取电磁场变化信号波形特征参数，对其进行分析处理，获得云地闪鉴别结果以及地闪定位结果；测控单元，用于实时采集并存储所述电磁场变化信号波形，标记采集所述闪电波形的时间，实时显示地闪在地理信息系统中的位置。本发明的系统及方法可进行闪电波形采集和闪电回击定位的多功能单站闪电探测定位。
Description
技术领域
本发明涉及气象观测技术领域，尤其涉及一种闪电探测定位系统及方法。
背景技术
闪电是我国最严重的自然灾害之一，由于其具有大电流、强电磁辐射等特性，常常引起森林火灾、油库爆炸、供电中断、通讯故障、设备破坏等事故，也容易造成人员伤亡。据保守估计，我国每年因雷灾造成的人员伤亡上千人，直接经济损失超过数亿元，而由此造成的间接经济损失和影响难以估计，雷电灾害已经波及到各行各业和生活的方方面面。遭雷击方式也从闪电直击、过电压波沿线传输扩展到闪电辐射电磁场的三维空间入侵。由于雷电成灾迅速，而给其研究、预报和防治带来了极大的困难，因此发展闪电探测技术和预警预报方法是当前非常迫切的任务。目前国内外的一些单站闪电探测系统功能均比较单一，不能满足社会的需要。迄今为止，国内外还没有同时可以进行闪电定位和电场变化测量的商业化产品，也没有适合业务运行的电场变化测量设备。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何提供一种可进行闪电波形采集和闪电回击定位的多功能单站闪电探测定位的闪电探测定位系统及方法。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明提供了一种闪电探测定位系统，该系统包括：天线单元，用于探测闪电发生时的电磁场变化信号，探测GPS卫星信号，并将所述电磁场变化信号以及所述GPS卫星信号发送至接收机单元；接收机单元，与所述天线单元相连，用于接收所述电磁场变化信号以及所述GPS卫星信号；波形特征提取处理单元，与所述接收机单元相连，用于实时提取电磁场变化信号波形特征参数，对其进行分析处理，获得云地闪鉴别结果以及地闪定位结果；测控单元，与所述波形特征提取处理单元以及接收机单元均相连，用于实时采集并存储所述电磁场变化信号波形，标记采集所述闪电波形的时间，实时显示地闪在地理信息系统中的位置。
其中，所述天线单元进一步包括：电场快变化天线，用于探测闪电发生时的电场变化信号；正交磁场天线，用于探测闪电发生时的磁场变化信号；GPS天线，用于探测GPS卫星信号。
其中，所述电场快变化天线为平板电容天线，所述正交磁场天线为两个具有相同的环截面积和线圈匝数且垂直正交的环形导线圈。
其中，所述接收机单元进一步包括：电磁变化接收机，与所述电场快变化天线以及所述正交磁场天线相连，接收所述电场变化信号以及磁场变化信号，并对其进行积分、以及滤波放大处理；GPS接收机，与所述GPS天线相连，接收所述GPS卫星信号。
其中，所述波形特征提取处理单元为现场可编程门阵列FPGA。
其中，所述测控单元进一步包括：数据采集卡，与所述接收机单元相连，用于实时采集所述电磁场变化信号波形；测量处理子单元，与所述数据采集卡相连，用于控制所述数据采集卡的采样长度、采样率、触发方式、触发阈值、存储路径、以及存储方式，以及显示所述信号波形；定位显示子单元，与所述波形特征提取处理单元相连，用于显示所述地闪在地理信息系统中的位置。
其中，该系统还包括：自检校准单元，与所述天线单元以及接收机单元相连，用于为所述天线单元提供标准信号，以及为系统给出校正系数；供电单元，与所述接收机单元、波形特征提取处理单元、测控单元以及自检校准单元相连，为上述各单元供电；防护体单元，罩在所述天线单元、接收机单元、波形特征提取处理单元、以及自校准单元外，为上述各单元提供支撑和环境防护。
本发明还提供了一种基于上述系统的闪电探测定位方法，该方法包括步骤：
S1.天线单元将探测到的闪电发生时的电磁场变化信号以及GPS卫星信号发送至接收机单元；
S2.判断闪电发生时电磁场变化量是否超过设定的触发阈值，若是，则执行步骤S3，否则，等待；
S3.波形特征提取处理单元采集电磁场变化信号波形特征参数，对其进行分析处理，获得云地闪鉴别结果以及地闪定位结果；测控单元实时采集并保存所述电磁场变化信号波形，标记采集所述电磁场变化信号波形的时间，并显示地闪在地理信息系统中的位置。
其中，步骤S3中，所述波形特征提取处理单元鉴别云地闪的方法为：
若电场变化信号同时满足以下条件中的三个，则判定闪电为地闪：
(a)0.8μs＜电场10％-90％峰值持续时间＜8μs；
(b)电场峰值＞电场起始值的两倍；
(c)电场峰值＞0.5V；
(d)下降沿过零时间＞10μs；
若电场变化信号同时满足以下三个条件，则判定闪电为运云闪：
(e)脉冲宽度＜8μs；
(f)上升沿时间＞下降沿时间；
(g)非地闪。
其中，步骤S3中，所述波形特征提取处理单元进行地闪定位的方法包括步骤：
S3.1提取电磁场变化信号信息；
S3.2比较两个磁场天线中的感应电压，得到雷击点时低频磁场的方位角；
S3.3根据闪电发生时刻的电磁峰值强度，获取闪电的距离信息；
S3.4根据所述地闪低频磁场的方位角、所述闪电的距离信息以及探测站的经纬度信息，获得地闪的发生位置。
其中，在步骤S3中，云地闪鉴别之后，还进行对地闪进行定位以及云闪计数的步骤，计数标准为：对1s记录长度的波形进行分析，确定有云闪脉冲的，记录为1次。
(三)有益效果
本发明的系统及方法采用高速大容量数据采集和GPS时间同步技术，将雷电定位和波形采集融为一体，增加了对闪电微秒、亚微秒时间尺度的物理过程的监测功能。同时，可提供闪电发生类型、回击数目、发生时间、发生位置信息，并可实时显示上述信息和闪电电磁场波形。根据对闪电电场变化波形的分析和判断，增加了云闪计数功能。该系统可与其他雷电测量设备同步，对闪电放电过程进行综合观测，补充了现有的观测设备。
附图说明
图1为依照本发明一种实施方式的闪电探测定位系统结构框图；
图2为依照本发明一种实施方式的闪电探测定位方法流程图；
图3为依照本发明一种实施方式的闪电探测定位方法中云地闪计数流程图。
具体实施方式
本发明提出的闪电探测定位系统及方法，结合附图及实施例详细说明如下。
本发明的系统适合闪电波形采集和闪电回击定位的多功能单站闪电探测定位，该系统具有闪电电磁波波形高时间分辨率采集以及地闪定位双重功能。如图1所示，依照本发明一种实施方式的闪电探测定位系统包括：天线单元100、接收机单元200、波形特征提取处理单元300、测控单元400、自检校准单元500、供电单元600、以及防护体单元700。
天线单元100，用于探测闪电发生时的电磁场变化信号，探测GPS卫星信号，并将电磁场变化信号以及GPS卫星信号发送至接收机单元200。天线单元100包括电场快变化天线101，用于探测闪电发生时的电场变化信号；正交磁场天线102，用于探测闪电发生时的磁场变化信号；GPS天线103，用于探测GPS卫星信号。电场快变化天线101为平板电容天线，通过电场引起的平板电容电荷改变探测电场；正交磁场天线102为两个具有相同的环截面积和线圈匝数且垂直正交的环形导线圈，通过探测磁场变化产生的感生电流探测磁场。该天线单元100能够探测到数百兆带宽的电磁场信号。
接收机单元200，与天线单元100相连，用于接收来自天线单元100的电磁场变化信号以及GPS卫星信号。接收机单元200进一步包括：电磁变化接收机201，与电场快变化天线101以及正交磁场天线102相连，接收该电场变化信号以及磁场变化信号，并对其进行积分、以及滤波放大处理，其能够根据需求调节时间常数和带宽，该电磁变化接收机201还可以进一步包括电场快变化接收机和磁场变化接收机，电场快变化接收机的带宽为200Hz-5MHz，磁场变化接收机的带宽为0.1Hz-500kHz；GPS接收机202，与GPS天线103相连，接收GPS卫星信号。
波形特征提取处理单元300，与接收机单元200相连，用于实时提取电磁场变化信号波形特征参数，对其进行分析处理，获得云地闪鉴别结果以及地闪定位结果。该波形特征提取处理单元300优选为现场可编程门阵列FPGA。
测控单元400，与波形特征提取处理单元300以及接收机单元200均相连，用于实时采集并存储电磁场变化信号原始波形，标记采集所述电磁场变化信号波形的时间，并根据所述GPS卫星信号，实时显示地闪在地理信息系统中的位置。该测控单元400进一步包括：数据采集卡401，与接收机单元200相连，用于实时采集电磁场波形；测量处理子单元402，与该数据采集卡401相连，能够控制该数据采集卡401的采样长度、采样率、触发方式、触发阈值、存储路径、以及存储方式等参数；定位显示子单元403，与波形特征提取处理单元300相连接，显示地闪在地理信息系统中的位置。该数据采集卡401以及测量处理子单元402优选地位于计算机(工控机)内。
自检校准单元500，与接收机单元200及天线单元100相连，用于为天线单元100以及接收机单元200提供标准信号，以及经采集检测后，对系统给出校正系数。该单元优选为标准波形发生器。
供电单元600，与接收机单元200、波形特征提取处理单元300、测控单元400以及自检校准单元500相连，为上述各供电。
防护体单元700，由金属支架和防护罩构成，天线单元100、接收机单元200、波形特征提取处理单元300、自检校准单元500均位于室外，防护体单元内，用于为上述室外架设单元提供支撑和环境防护。
如图2所示，依照本发明一种实施方式的闪电探测定位方法包括步骤：
S1.天线单元将探测到的闪电发生时的电磁场变化信号以及GPS卫星信号发送至接收机单元；
S2.判断闪电发生时电磁场变化量是否超过设定的触发阈值，若是，则执行步骤S3，否则，等待；
S3.波形特征提取处理单元采集电磁场变化信号波形特征参数，对其进行分析处理，获得云地闪鉴别结果以及地闪定位结果；测控单元实时采集并保存所述电磁场变化信号波形，标记采集所述电磁场变化信号波形的时间，并显示地闪在地理信息系统中的位置。
由于GPS数据是通过串口传递至工控机的，采集数据是通过外设部件互连标准(PCI)总线传递至工控机的，为保证某一秒的串口数据与该秒的PCI总线数据在时刻上能正确对应，数据采集卡401的数据传递必须保证严格的实时性，因此数据采集卡401在每个1PPS脉冲的上升沿都会向工控机申请中断，在数据量到达一定量时也会向工控机申请中断，工控机响应中断，将数据采集卡401上的数据全部读取到工控机。
其中，步骤S3中，本系统通过分析闪电电场的波形变化特征来判断闪电类型，选取下述典型的电场特征值作为判断依据：电场峰值、电场起始值、10％-90％峰值持续时间、下降沿的过零时间、上升沿整体持续时间。波形特征提取处理单元300鉴别云地闪的方法为：
若电场变化信号同时满足以下条件中的三个，则判定闪电为地闪：
(a)0.8μs＜电场10％-90％峰值持续时间＜8μs；
(b)电场峰值＞电场起始值的两倍；
(c)电场峰值＞0.5V；
(d)下降沿过零时间＞10μs；
云闪的判定是建立在地闪排除基础之上的，若电场变化信号同时满足以下三个条件，则判定闪电为云闪：
(e)脉冲宽度＜8μs；
(f)上升沿时间＞下降沿时间；
(g)非地闪。
正确识别云地闪之后，对地闪进行定位以及云闪计数，计数标准为，对1s记录长度的波形进行分析，确定有云闪脉冲者，记录为1次，如图3所示。
波形特征提取处理单元300进行地闪定位的方法包括步骤：
S3.1提取电磁场变化信号信息；
S3.2比较两个磁场天线中的感应电压，得到雷击时低频磁场的方位角；
S3.3根据闪电发生时刻的电磁峰值强度，获取闪电的距离信息；
S3.4根据所述地闪低频磁场脉冲的方位角、所述闪电的距离信息以及探测站的经纬度信息，获得地闪的发生位置。
其中，步骤S3.2中确定地闪方位的原理如下：
将具有相同的环截面积和线圈匝数的两环天线垂直正交地放置在地面之上，其中两个线圈截面法线指向分别为南北和东西。此时，两环天线感应的电动势将分别为：
取其比值的反正切：
或
由此可见，只要严格做到两环天线线圈匝数相同，截面积相同，互相正交，它们感应电动势之比的反正切即可提供闪电源的方位角，其中，180°的模糊度可由电场分量的方向，根据电波传播方向、电场和磁场分量三者互相正交的原理加以消除。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (11)
1.一种闪电探测定位系统，其特征在于，该系统包括：
天线单元，用于探测闪电发生时的电磁场变化信号，探测GPS卫星信号，并将所述电磁场变化信号以及所述GPS卫星信号发送至接收机单元；
接收机单元，与所述天线单元相连，用于接收所述电磁场变化信号以及所述GPS卫星信号；
波形特征提取处理单元，与所述接收机单元相连，用于实时提取电磁场变化信号波形特征参数，对其进行分析处理，获得云地闪鉴别结果以及地闪定位结果；
测控单元，与所述波形特征提取处理单元以及接收机单元均相连，用于实时采集并存储所述电磁场变化信号波形，标记采集所述闪电波形的时间，实时显示地闪在地理信息系统中的位置。
2.如权利要求1所述的闪电探测定位系统，其特征在于，所述天线单元进一步包括：
电场快变化天线，用于探测闪电发生时的电场变化信号；
正交磁场天线，用于探测闪电发生时的磁场变化信号；
GPS天线，用于探测GPS卫星信号。
3.如权利要求2所述的闪电探测定位系统，其特征在于，所述电场快变化天线为平板电容天线，所述正交磁场天线为两个具有相同的环截面积和线圈匝数且垂直正交的环形导线圈。
4.如权利要求3所述的闪电探测定位系统，其特征在于，所述接收机单元进一步包括：
电磁变化接收机，与所述电场快变化天线以及所述正交磁场天线相连，接收所述电场变化信号以及磁场变化信号，并对其进行积分、以及滤波放大处理；
GPS接收机，与所述GPS天线相连，接收所述GPS卫星信号。
5.如权利要求1所述的闪电探测定位系统，其特征在于，所述波形特征提取处理单元为现场可编程门阵列FPGA。
6.如权利要求1所述的闪电探测定位系统，其特征在于，所述测控单元进一步包括：
数据采集卡，与所述接收机单元相连，用于实时采集所述电磁场变化信号波形；
测量处理子单元，与所述数据采集卡相连，用于控制所述数据采集卡的采样长度、采样率、触发方式、触发阈值、存储路径、以及存储方式，以及显示所述信号波形；
定位显示子单元，与所述波形特征提取处理单元相连，用于显示所述地闪在地理信息系统中的位置。
7.如权利要求1所述的闪电探测定位系统，其特征在于，该系统还包括：
自检校准单元，与所述天线单元以及接收机单元相连，用于为所述天线单元提供标准信号，以及为系统给出校正系数；
供电单元，与所述接收机单元、波形特征提取处理单元、测控单元以及自检校准单元相连，为上述各单元供电；
防护体单元，罩在所述天线单元、接收机单元、波形特征提取处理单元、以及自校准单元外，为上述各单元提供支撑和环境防护。
8.一种基于权利要求1-7所述系统的闪电探测定位方法，其特征在于，该方法包括步骤：
S1.天线单元将探测到的闪电发生时的电磁场变化信号以及GPS卫星信号发送至接收机单元；
S2.判断闪电发生时电磁场变化量是否超过设定的触发阈值，若是，则执行步骤S3，否则，等待；
S3.波形特征提取处理单元采集电磁场变化信号波形特征参数，对其进行分析处理，获得云地闪鉴别结果以及地闪定位结果；测控单元实时采集并保存所述电磁场变化信号波形，标记采集所述电磁场变化信号波形的时间，并显示地闪在地理信息系统中的位置。
9.如权利要求8所述的闪电探测定位方法，其特征在于，步骤S3中，所述波形特征提取处理单元鉴别云地闪的方法为：
若电场变化信号同时满足以下条件中的三个，则判定闪电为地闪：
(a)0.8μs＜电场10％-90％峰值持续时间＜8μs；
(b)电场峰值＞电场起始值的两倍；
(c)电场峰值＞0.5V；
(d)下降沿过零时间＞10μs；
若电场变化信号同时满足以下三个条件，则判定闪电为运云闪：
(e)脉冲宽度＜8μs；
(f)上升沿时间＞下降沿时间；
(g)非地闪。
10.如权利要求8所述的闪电探测定位方法，其特征在于，步骤S3中，所述波形特征提取处理单元进行地闪定位的方法包括步骤：
S3.1提取电磁场变化信号信息；
S3.2比较两个磁场天线中的感应电压，得到雷击时低频磁场的方位角；
S3.3根据闪电发生时刻的电磁峰值强度，获取闪电的距离信息；
S3.4根据所述地闪低频磁场的方位角、所述闪电的距离信息以及探测站的经纬度信息，获得地闪的发生位置。
11.如权利要求8所述的闪电探测定位方法，其特征在于，在步骤S3中，云地闪鉴别之后，还进行对地闪进行定位以及云闪计数的步骤，计数标准为：对1s记录长度的波形进行分析，确定有云闪脉冲的，记录为1次。
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