CN103809156A - 区域高分辨率闪电辐射源定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明是一种区域高分辨率闪电辐射源定位系统，至少包括五个闪电定位监测站点，所述的站点内设有闪电接收天线、高速数据采集与处理模块、GPS授时模块、无线通信模块和供电模块。所述站点通过分段触发模式捕获宽带闪电瞬态电场变化率脉冲波形，GPS模块提供分段触发时的精确时间戳信息，当段数据满足设定段数时，通过DMA方式将数据存储到本地硬盘；高速数据采集与处理模块以低优先级线程准实时提取分段电场变化率波形特征参数，将特征值通过无线传输模块传输至数据终端；数据终端利用闪电电场变化率辐射脉冲到达各个站点的时间差，通过分析处理上述脉冲的软件，对闪电辐射源进行三维定位，进一步得到低空闪电辐射源放电通道。

Description

区域高分辨率闪电辐射源定位系统

技术领域

本发明涉及一种闪电辐射源多站同步定位系统，更具体地，涉及到短基线多站电场时变率测量仪同步测量，利用闪电电磁辐射到达各个子站电场时变率测量仪的时间差实现闪电辐射源三维定位，进一步可获得区域范围内近地面-低空闪电放电通道的高分辨率三维结构和时空发展过程。

背景技术

闪电是自然大气中一种超强、瞬时的大电流放电现象。随着信息时代的到来，特别是微电子设备和复杂电气设备的广泛应用，城市中高架结构和高大建筑的不断增多，由雷电流电磁辐射产生的雷电电磁脉冲（Lightning Electromagnetic Pulse，LEMP）引起的间接毁伤效应变得越来越突出。

早期研究主要关注大尺度长通道（1～10）km的大电流回击过程以及（1～100）km范围内的闪电电磁辐射场特征。随着闪电物理机制及闪电防护研究的深入，需进一步获取近距离闪电辐射产生的LEMP及近地面先导-回击连接的物理过程特征。近距离（km量级）闪电辐射产生的强电磁脉冲LEMP引起的间接雷电损伤通常更为巨大，而现有闪电业务监测系统的定位精度在500m的量级，尽管有少量人工触发闪电近距离电磁场观测数据，仍不能满足当前闪电近距离尤其是自然闪电近距离先导-连接放电过程及其电磁辐射场波形特征的研究。受闪电定位系统定位精度、闪电电磁场传感器灵敏度及动态范围、不同探测方法局限性等因素影响，对于近地面的先导-连接过程这种空间尺度（几十米到几百米）、持续时间短（多在毫秒以内）的放电过程的通道特性、放电机制及其辐射场特征仍缺乏深入的理解和翔实观测资料。

地闪回击辐射能量主要在LF/VLF频段，甚低频长基线TOA闪电辐射源定位技术能够定位回击过程大电流事件，定位网络覆盖广，如董万胜等2009年申请的甚低频闪电定位系统发明专利（申请号：200910090117.2）。由于LF/VLF频段频率较低，对应测量的时间分辨率不高，其定位精度通常在几百米到数千米量级。此外，闪电放电通道远小于基线长度，垂直分辨率低，通常只给出二维定位结果，不能反映闪电的放电通道结构和时空发展过程。VHF干涉法/时差法可以再现闪电击穿过程的时空演变，如专利(申请号：200510041997.6)和(申请号：200910090115.3)，具有一定的回击过程定位能力。尽管VHF系统能够提供较高的时空分辨率，然而由于VHF电磁辐射为射线传播，对于近地面处的闪电辐射信号随着距离衰减明显，因而定位误差较大。此外，VHF定位系统的硬件成本、操作维护及海量数据的处理均要求较高。

为满足近地面闪电辐射源区域范围（km量级）精确定位的需求，需要满足以下几方面要求：

(1)传感器带宽应能响应先导-回击过程产生的瞬变电磁辐射，如实记录这些瞬变分量是正确评估闪电电磁环境的基础。正是随着宽带测量系统的发展，研究人员才得以逐步发现预击穿特征脉冲群、规则脉冲簇（RPB）、无序先导（chaotic leader）等特征波形。

(2)时间同步精度需达到10ns的量级。对于定位区域为1km×1km的范围，为达到10m量级的定位精度，采用时差法多站同步定位法，系统的测时精度和时间分辨率至少应达到30ns。

(3)高速采集系统应具有较小的“死区”时间。对于高速采集系统50Mbps的采样率，若采用较长的分段采集时间长度，一方面闪电辐射脉冲信号的占空比非常小，大量噪声本底“零数据”对研究没有价值；另一方面，连续采集实时数据吞吐量较大，对系统的缓冲能力要求较高，且一旦误触发则会无法捕获有效脉冲波形；若采用较短的分段采集时间长度，能够有效减小数据采集的“死区”时间，但对GPS授时模块提供的基准时间戳精度要求较高。

(4)高速采集系统应具有一定的预处理能力，以解决高速采样速率与海量采样数据量之间的矛盾。如发明专利（申请号：200810044672.7）提出一种脉冲信号的数字化参数提取方法，利用FPGA内的逻辑资源和存储资源实现脉冲峰值、峰值时刻和脉冲宽度的实时提取。该方法的优点在于实时性强，当脉冲波形不规则和瞬时脉冲较多时，采用FPGA进行特征提取灵活度不够无法满足实时特征提取的需求。

此外，对于人工引雷场进行引雷试验时，需要确定回击点位置及定位放电通道，实现人工引雷场小区域低空近地面人工触发闪电过程的精确定位是进行闪电辐射场测量评估及耦合效应研究的必要前提。对于某些重点区域，如油罐区、航天发射场和机场等，需要实时监控是否遭到雷击，以及确定雷击点的准确位置，为防灾减灾及排障抢修决策提供必要的信息。无论是从雷电防护实践指导的角度还是从雷电物理过程的研究需求，均需要发展新的闪电定位技术。

发明内容

本发明的目的在于提供一种短基线闪电辐射源定位技术，进一步的可以获取低空闪电辐射源的三维时空演变特征。该系统能够实现定位网络覆盖区域内闪电回击点的精确定位及近地面先导-连接过程放电通道三维时空演变，为闪电物理过程及近距离闪电辐射场波形特征研究提供基础。

为实现上述目的，本发明要解决的问题有:高精度同步时标的产生，即短基线多站同步测量；高速数据流的保存及实时处理，即解决高速采集和海量数据量的矛盾。

为实现上述目的，根据闪电辐射特征及探测的具体要求，设计构建了闪电辐射信号采集、存储、分析和传输系统。本发明的技术方案是采用一种短基线多站电场时变率测量仪同步测量系统，该系统至少包括5个以上的闪电定位监测子站点，所述的闪电定位监测子站点设有闪电电场接收天线、闪电辐射接收机、嵌入式高速数据采集与处理模块、GPS授时模块、无线通信模块和太阳能供电模块。

其中，所述闪电接收天线为电小天线，其响应频带范围为VLF-VHF频段。

其中，所述的电场时变率测量仪能够在宽频带内测量闪电的电场变化率波形。电场时变率测量仪的上限-3dB频率仅由天线的等效电容确定。电场时变率测量仪直接反映电场的变化，与当前先导的发展状态有关，能够更好的刻画先导-连接过程产生的瞬态电磁辐射。

其中，所述闪电辐射接收机主要包括I-V变换电路和第二级放大电路，所述接收机直接和嵌入式高速数据采集与处理模块。

其中，所述GPS授时模块与所述的嵌入式高速数据采集与处理模块连接，GPS授时模块完成GPS接收机提供的UTC信息的解码以及和1PPS脉冲同步，产生高精度高稳定度的50M时钟信号，为嵌入式高速数据采集与处理模块提供基准时钟；根据嵌入式高速数据采集与处理模块提供的触发采集脉冲，以及GPS授时模块FPGA构建的附加实时时钟提供秒以内的高精度时标信息。

其中，所述嵌入式高速数据采集与处理模块以分段触发采集模式将接收机接收的闪电电场时变信号数字化，同时给GPS授时模块提供触发同步脉冲，接收GPS授时模块提供的高精确时标信息将电场变化率波形存储到本地硬盘；进一步，高速数据采集与处理模块以低优先级线程进行波形特征提取，具体包括脉冲峰值、脉冲峰值绝对时标、脉冲脉宽，以及每一段数据内脉冲个数的统计，其中脉冲峰值绝对时标参考该段数据触发采集时的绝对时标；最后，将每一段波形的高精度时标信息和特征值数据打包通过无线模块发送至中心站点的计算机终端。嵌入式高速数据采集与处理模块预留有网络接口和光纤传输接口，便于原始波形数据的导出。

其中，所述的计算机终端设无线接收模块及处理软件；所述数据处理软件可用于完成数据的时基同步处理、波形可视化、到达时间提取、闪电辐射源定位等工作。

本发明的优点和有益效果在于：在上述硬件和软件的配合下，该系统可以定位网络覆盖区域内闪电回击点的精确定位及先导-连接过程放电通道三维时空演变。

附图说明

图1 是短基线闪电定位系统框图；

图2 是短基线闪电定位系统子站接收机框图；

图3 是高精度时标授时模块原理示意图；

图4 是高速数据采集与数字信号处理板框图；

图5 是模拟定位误差分布图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体方式作进一步描述。

如图1所述的一种短基线闪电辐射源定位系统，该系统包括至少五个闪电定位监测子站点和一个中心站点，所述闪电定位监测站点内设有闪电电场接收天线、闪电辐射接收机、嵌入式高速数字采集与处理模块、GPS授时模块、无线通信模块和太阳能供电模块。所述高速数据采集模块采取分段触发采集的方式，结合GPS授时模块提供的精确时标信息，得到各个数据段触发采集时的时间，进一步得到每个触发数据段内的闪电变化脉冲到达各个站点的时间。通过无线模块将每个数据段内脉冲的时标信息和脉冲特征实时发送到中心站点。通过TOA时差法对闪电放电辐射源进行定位，进一步的获取闪电辐射源的时空发展特征。

假设(x, y, z, t)是闪电的真实位置和发生时间，(x _i, y_i , z_i , t_i )是第i个探测子站的位置和脉冲到达时间。假设有N(N>3)个测站同时接收到该闪电信号，则对第i个站有：

(x _i-x) ²+ (y _i-y) ²+ (z _i-z) ²= C ²(t _i-t)² (1)

对第j个站有：

(x _j-x) ²+ (y _j-y) ²+ (z _j-z) ²= C ²(t _j-t)² (2)

将(1)式和(2)式相减得:

2(x _i-x _j)x+2(x _i-x _j)x+2(x _i-x _j)x-2c ²(t _i-t _j)t=(x _i ²-x _j ²)+(y _i ²-y _j ²)+(z _i ²-z _j ²)-c(t _i ²-t _j ²) (3)

对于包含N个探测子站的闪电定位系统，两两测站之间的组合有C 种，可以建立C

个类似式（3）的方程。

(4)

其中，a _i1=2(x _i-x _j), a _i2=2(y _i-y _j), a _i3=2(z _i-z _j), a _i4=2c ²(t _i-t _j),I _i=(x _i ²-x _j ²)+(y _i ²-y _j ²)+(z _i ²-z _j ²)-c(t _i ²-t _j ²) (i,j=1,2,…C

)。

将方程写成矩阵形式：

AW=I (5)

A，W，I分别为系数矩阵、变量矩阵和常数列矩阵。当系数矩阵A为非奇异可逆矩阵时，该矩阵方程的解为：

W=A^-1I (6)

矩阵W中包含了对应脉冲源的位置信息和发生时刻信息。

如图2所示，为闪电辐射接收天线及闪电辐射接收机内调理电路的主要功能模块。所述的闪电辐射接收天线为电小天线，工作在VHF及以下频段。作为一个优选的实施方式，可以采用尺寸在10cm量级的金属平板天线。金属平板天线暴露在电场E中，等效为平板电容器。平板天线和大地等效电容为C _eq1,平板天线感应的电荷Q=EAɛ₀，感应电流信号为i=dQ/dt=Aɛ₀dE/dt，输出感应电流经过同轴电缆连接信号调理电路。其中E为电场强度；A为天线面积；ɛ ₀为空气介质电常数。C _eq2为连接电缆的等效电容。第一级放大电路OP1实现I-V变换，将感应电流转换为感应电压，其中反馈阻抗有电阻R₁决定，反馈电容C₁为皮法量级，主要用于相位补偿。通过第一级放大电路后，得到正比于电场变化率的电压信号。C ₂为耦合电容，电压信号经过耦合电容后输出到第二级放大电路，放大电路OP2的增益由R₃/R₂决定，放大电路OP3的增益由R₅/R₄决定，OP2和OP3分别设置不同大小两种增益，以保证获取先导和回击过程这两种不同动态范围的闪电电场变化率的完整波形信号。经第二级放大后的电压信号经过负载电阻R_L1和R_L2分别输出到嵌入式高速数据采集与处理模块的两个ADC通道。

如图3，为GPS授时模块提供高精度时标原理示意图。

GPS授时模块以可编程逻辑器件FPGA为核心，主要功能包括GPS天线接收信息的解码、高精度时标信息的产生和检测嵌入式高速采集与处理模块的同步触发脉冲。

GPS天线接收信息包括1 PPS信号和相关联的协调世界时间（UTC）。恒温晶振输出的10MHz信号作为驱动时钟源，经过FPGA内的时钟管理模块PLL锁相倍频至50MHz作为FPGA 的工作时钟。FPGA读取GPS模块接收的串口报文，从GPS接收机发来的UTC数据信息中提取年、月、日、时、分、秒时间信息，并将其锁存至寄存器内。FPGA同时对1PPS脉冲进行守时逻辑处理，完成和UTC信息的同步，PPS脉冲信号上升沿同时作为0.02微秒计数器的清零复位逻辑。0.02微秒计数器检测到PPS脉冲信号的上升沿后，复位计数器，以50MHz时钟作为驱动开始计数。

嵌入式高速采集与处理模块的FPGA配置ADC模块工作时序使其处于连续捕获工作模式，利用FPGA内部存储资源构建FIFO作为高速缓存，将高速缓存中的数据片段和预先设置的触发电平进行比较，当连续5个点的值大于触发电平时，则按照预先设置的数据段长度进行采集，同时产生一个触发脉冲驱动GPS授时模块。

当GPS授时模块中的FPGA检测到触发脉冲的上升沿时，将当前年月日时分秒寄存器和0.02微秒计数器中的计数值锁存至时标寄存器。时标寄存器中的值发送回嵌入式高速采集与处理模块的FPGA，作为当前触发采集数据段的数据标识，将高精度时标信息和当前数据段信息拼接后写入到SDRAM中。

如图4，为嵌入式高速数据采集与处理模块功能框图。该模块基于PC104+总线，具有体积小、集成度高和功耗低等优点。其中数据采集部分以可编程逻辑器件FPGA为核心，数据处理部分以ARM为核心。

由闪电辐射接收机接收的闪电电场变化率信号经I-V变换放大后，得到两路不同增益的电场变化率波形。两路电场变化率波形首先通过上限频率为25MHz的抗混叠滤波器，FPGA完成两通道ADC模块的时序配置，同时利用内部存储资源构建64KB的FIFO实现高速数据缓存。将FIFO缓存器的中间位置处的数据和预先设置的阈值比较，当连续5个采样点的值大于阈值时，启动采集并产生一个触发脉冲驱动GPS授时模块。GPS授时模块中的FPGA单元检测到触发脉冲的上升沿后，将时标寄存器的值锁存并发送至嵌入式高速采集与处理模块中的FPGA单元，将高精度时标信息和当前触发采集的数据段拼接存储到SDRAM中。当触发数据段数满足预先设置的值时，将SDRAM中的数据通过DMA方式写入到本地硬盘。其中，最大数据段数为128段，触发数据段个数可通过中心站点无线通信方式配置调整。

以ARM为核心的嵌入式主板完成数据保存、数据处理和数据传输三个任务，采用多线程技术，其中数据保存优先级设为最高，以保证原始数据的可靠保存。数据处理设置为第二优先级线程，对保存在本地硬盘的数据段进行特征值提取，具体包括脉冲峰值、脉冲峰值绝对时标、脉冲脉宽，以及每一段数据内脉冲个数的统计，其中脉冲峰值绝对时标参考该段数据触发采集时的绝对时标。特征值提取后，以每一段数据段的触发时的绝对时标为数据头，将脉冲序号、脉冲峰值、脉冲峰值绝对时标、脉冲脉宽打包通过无线发送至中心站点的控制终端。

嵌入式高速数据采集与处理模块预留有网络接口和光纤传输接口，便于原始波形数据的导出。

如图5，为模拟误差二维分布图。为更好的了解辐射源定位结果的误差分布情况，采用如下模拟实验方案。给定一个辐射源的位置，则其到达各个测站的时间可准确计算得到，将服从均方差为50ns的高斯分布的随机误差加入到精确时间里，利用得到的时间可以计算得到一个新的辐射点位置，则计算得到的辐射点位置和预先给定的辐射点之间的误差可认为是定位误差。对每个样点进行1000次计算，将平均误差作为该样点的误差。图5中黑色圆点为监测站点的位置分布图，由图5知，在闪电定位网络范围内闪电定位精度优于10m。

以上所述仅是本发明的一种优选的实施方式。对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形（如采用不同的微处理器和电场天线），这些改进和变形也应视为本发明的保护内容。

Claims (7)

1. 一种短基线低空闪电辐射源定位系统，其特征在于：该系统包括至少5个闪电定位子站点和一个定位中心站点内设有闪电电场接收天线、闪电辐射接收机、嵌入式高速数据采集与处理模块、GPS授时模块、无线通信模块和供电模块；所述闪电定位站点通过分段触发模式捕获宽带闪电瞬态电场变化率脉冲波形分段波形数据直接写入到SDRAM构建的高速缓存，当分段数据采满时将触发自动存储通过DMA方式存到储在本地硬盘；GPS授时模块提供分段触发时的精确时间戳信息；高速嵌入式数据采集与处理模块以低优先级线程准实时提取分段电场变化率波形特征数据；通过无线模块将特征值和站点状态参数传输至中心站点的数据终端；在中心站点通过计算机软件分析、处理实现闪电辐射源的三维定位。

2.根据权利要求1所述的短基线低空闪电辐射源定位系统的定位子站点，其特征在于，所述的闪电辐射接收机包括依次连接闪电电场接收天线、I-V变换电路、第二级放大电路、嵌入式高速数据采集与处理模块；所述的闪电辐射接收机包括I-V变换电路和第二级放大电路，直接和嵌入式高速数据采集与处理模块连接。

3.根据权利要求2所述的闪电辐射接收机，其特征在于，经I-V变换电路后采用两种不同增益的第二级放大电路，保证先导和回击过程闪电电场变化率脉冲完整波形的同时有效获取。

4.根据权利要求1所述的短基线低空闪电辐射源定位系统，其特征在于，所述GPS接收机由FPGA完成UTC信息的解码提取以及和1PPS脉冲的同步，在FPGA内部构建附加实时时钟，提供最小时间分辨率20ns的高精度时标；所述的嵌入式高速数据采集与处理模块中的FPGA提供分段触发采集时的触发脉冲，GPS接收机将当前时标信息锁存并发回；所述的GPS接收机同时向嵌入式高速数据采集与处理模块提供基准时钟。

5.根据权利要求1所述的短基线低空闪电辐射源定位系统，其特征在于，嵌入式高速数据采集与处理模块采用PC104+嵌入式主板的架构，以双通道同步50Msps的最高采样率对电场变化率信号进行数字化，通过分段触发模式捕获闪电电场变化率脉冲，每一段数据以所述的GPS接收机输出的高精度时标为数据头写入到高速缓存SDRAM中，分段采集段个数满足触发条件时通过DMA方式将SDRAM中原始波形数据写入到本地硬盘；所述的嵌入式高速数据采集与处理模块预留有以太网接口和光纤接口便于原始数据的导出。

6.根据权利要求1所述的短基线低空闪电辐射源定位系统，其特征在于，嵌入式高速数据采集与处理模块以低优先级线程准实时对保存的分段数据进行特征提取，特征参数包括峰值幅度、峰值时标、脉冲宽度、脉冲个数，将特征值数据和站点工作状态参数通过无线传输模块传输至中心站点的数据终端。

7.根据权利要求1所述的短基线低空闪电辐射源定位系统，其特征在于，基线在几百米到数千米量级，能够实现定位网络内5~10米的定位精度，定位网络外5公里范围内50米的定位精度；通过所述5台以上的闪电定位子站点同步协作，能够获取低空闪电辐射源三维位置，进一步得到低空闪电辐射源时空特征。

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