CN109085525A - 一种闪电定位仪检测标定系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种闪电定位仪检测标定系统及方法，系统包括依次连接的高频电磁场发生器、阻抗匹配与驱动电路、可编程DDS任意波形发生器、数据处理与显示终端、天线测试仪。其测试方法是确定检测标定的实验环境；可编程DDS任意波形发生器模拟产生雷电流激励脉冲信号，经阻抗匹配和驱动电路驱动高频电磁发生器的电磁线圈产生变化磁场；正交环天线置于均匀的变化磁场中，其输出信号接入正交环天线测试仪，仪器测量出天线的接收带宽和增益，然后无线测试仪通过控制与显示终端连接可编程DDS任意波形发生器，完成对天线性能的测量。

Description

一种闪电定位仪检测标定系统及方法

技术领域

本发明涉及闪电定位仪检测标定技术领域，具体的说涉及一种闪电定位仪检测标定系统及方法。

背景技术

雷电是自然界中的强放电现象。在我国，根据最近几年雷电监测网资料显示，每年大约要发生1300万次左右的云地闪电。在现代生活中，闪电严重威胁着人类生命财产的安全，引燃森林、火工品等造成重大损失，对航空、航天、通讯、电力、建筑、石油化工等国防和国民经济的许多部门都有着很重大的影响。20世纪末，联合国组织的国际减灾十年活动中，雷电灾害被列为最严重的十大自然灾害之一。

雷电监测定位理论与技术研究开始于十九世纪末二十世纪初，在雷电研究、监测及防护领域中处于核心的位置。闪电定位仪是用于雷电监测和预警的新型探测设备，通常由多个(3个及以上)闪电定位仪组成的闪电定位网可以自动、连续、实时监测闪电发生的时间、方位、强度、极性等特征参数。闪电定位数据的长期积累，可以改变闪电人工观测和缺少雷电密度分布等定量观测的状况，分析研究闪电定位资料可以进一步深化对闪电机理的认识，闪电定位资料也是雷电灾害风险评估、雷电灾害事故鉴定和防雷工程设计的重要依据，闪电定位资料已成为当今防雷减灾工作不可或缺的重要资料。目前在欧洲、美国等世界发达国家已建成覆盖全欧洲和北美的闪电定位网，我国气象系统也建设了由500多个闪电定位仪组成的覆盖我国大部地区的闪电定位网，闪定位网的建设及业务应用，为气象部门提供了大范围、长距离、高效率和高精度的雷电活动位置和发展演变信息，在防雷减灾工作中发挥了重要作用。

由于闪电发生的随机性，闪电定位网的探测精度、探测效率及峰值电流准确性的检验是一个世界性的难题。我国闪电定位网建设并业务应用已近十年，闪电定位系统也经多次技术升级改造，但至今还没有一套对闪电定位仪进行检测标定的技术规范，至今也没有一个第三方机构可以对闪电定位仪性能进行检测标定，闪电定位仪的性能参数只能由各生产厂家自定，而且电子设备使用多年后性能必定有所变化，但我国各省业务使用的闪电定位仪至今还没有一个地方可以进行检测标定，迫切需要建设一个开展闪电定位仪性能检测标定的第三方检测机构，而核心问题是需要研究解决闪电定位仪检测标定的技术方法，因此，开展VLF/LF闪电定位仪检测标定技术研究具有不可或缺的重要意义。

目前，闪电定位网主要有VLF/LF闪电定位网(主要探测地闪，部分也可以探测云闪，但探测效率较低)和VHF/HF闪电定位网(主要探测云闪)。美国、欧洲、日本、巴西、澳大利亚等国家和地区都建立了闪电定位网。其中，美国和欧洲闪电监测网都实现了对地闪和云闪的监测，而且欧洲闪电监测网已经实现了对闪电的三维定位，闪电定位仪主要为VLF/LF闪电定位仪，VHF/HF闪电定位仪为辅助加密网。由于地闪相对于云闪的危害更大，而且VLF/LF闪电定位仪的技术更为成熟，建设成本相对VHF/HF闪电定位网要低得多。目前我国气象部门和电力部门业务使用的闪电定位网几乎都是VLF/LF闪电定位网。国内研制生产闪电定位仪的4～5个厂家都是采用类似的方法进行一致性标定，其方法为：利用低频信号发生器直接输入至信号采集电路(不经过天线耦合)，通过对待测闪电定位仪的时间测量值、侧向测量值、幅值测量值、自检测量值等参数与标准闪电定位仪进行对比，得出待测仪器是否满足技术指标要求，实现对闪电定位仪检验和标校。

发明内容

本发明的目的在于提供一种闪电定位仪检测标定系统及方法，通过对待测闪电定位仪的时间测量值、侧向测量值、幅值测量值、自检测量值等参数与标准闪电定位仪进行对比，得出待测仪器是否满足技术指标要求，实现对闪电定位仪检验和标校。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种闪电定位仪检测标定系统，包括依次连接的高频电磁场发生器、阻抗匹配与驱动电路、可编程DDS任意波形发生器、数据处理与显示终端、天线测试仪，所述可编程DDS任意波形发生器模拟产生任意形状的雷电波形，经阻抗匹配和驱动电路驱动高频电磁场发生器产生变化磁场，将闪电定位仪的正交环天线置于高频电磁场发生器的电磁线圈产生的变化磁场中，其输出信号接入天线测试仪，天线测试仪测量出正交环天线的接收带宽和增益，完成对正交环天线性能的测量，所述天线测试仪将测试结果输入到数据处理与显示终端，数据处理与显示终端将测量数据与可编程DDS任意波形发生器模拟数据进行对比，完成检测标定。

进一步的，所述电磁线圈为U型结构或者螺旋管型结构；当所述电磁线圈为U型结构时，该U型结构的电磁线圈为高频电磁线圈，待测正交环天线置于N极和S极之间并与中心磁感线方向成45°角；当所述电磁线圈为螺旋管型结构时，该电磁线圈为一个大尺寸的筒型高频电磁线圈，待测正交环天线置于线圈内部正中央位置，且天线与磁力线方向成45°夹角。

进一步的，所述闪电定位仪检测标定系统还包括波形显示系统，该波形显示系统包括耦合器和与耦合器相连接的波形显示器，所述耦合器连接在高频电磁场发生器的电磁线圈上，监测高频电磁场发生器生成波形状态、参数是否满足设定要求；相应的，所述可编程DDS任意波形发生器模拟产生的测试信号通过耦合器耦合到正交环天线上。

进一步的，所述闪电定位仪检测标定系统还包括电源系统；电源系统给待测闪电定位仪、闪电定位仪检测标定系统的其它组件提供统一的供电，保证电磁环境一致。

进一步的，所述闪电定位仪检测标定系统还包括RS232串口通信模块，待测的闪电定位仪天线测试仪、数据处理与显示终端通过RS232串口通信模块相连接。

进一步的，所述闪电定位仪检测标定系统为单台闪电定位仪检测标校系统或为多台闪电定位仪检测标校系统；当所述闪电定位仪检测标定系统为多台闪电定位仪检测标校系统时，所述多台闪电定位仪检测标校系统包括若干个耦合器，其中的一个耦合器与波形显示器相连接，其余耦合器连接在高频电磁场发生器上并通过高频电磁场发生器连接可编程DDS任意波形发生器，该若干个闪电定位仪通过RS232串口通信模块与数据处理与显示终端连接。

进一步的，本发明并提供了一种闪电定位仪检测标定方法，该方法的步骤是：

S1、确定检测标定的实验环境；

S2、天线测量，设计一个可编程DDS任意波形发生器，模拟产生雷电流激励脉冲信号，信号幅度、上升下降沿均可设定，经阻抗匹配和驱动电路驱动高频电磁发生器的电磁线圈产生变化磁场；正交环天线置于均匀的变化磁场中，其输出信号接入正交环天线测试仪，仪器测量出天线的接收带宽和增益，然后无线测试仪通过控制与显示终端连接可编程DDS任意波形发生器，完成对天线性能的测量；

S3，闪电定位仪标校，通过对待测闪电定位仪的时间测量值、侧向测量值、幅值测量值、自检测量值参数与标校过的信号发生器输出的标准参数进行对比，得出待测仪器是否满足技术指标要求，实现对闪电定位仪的检测标定，并实现对多台闪电定位仪同时标校，测探测仪一致性指标。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

本发明提出一种闪电定位仪检测标定系统及方法，采用DDS可编程任意波形技术，可产生任意形状的雷电波形，波形幅值、上升下降沿均可设定，通过驱动高频电磁场发生器，将测试信号通过空间耦合到正交环天线，模拟产生雷电低频信号，经过有线直接输入和空间传播耦合至闪电定位仪的方式进行信号输入，通过定量测试等方法对闪电定位仪信号进行处理，并根据闪电定位仪的特征量判定仪器性能，对闪电定位仪进行了实验室测试，从而对VLF/LF闪电定位系统的数据可靠性和测量准确性进行了有效验证，得出待测仪器是否满足技术指标要求，实现对闪电定位仪检验和标校。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的单台闪电定位仪检测标校系统的组成框图；

图2为本发明的多台闪电定位仪检测标校系统的组成框图；

图3为本发明的U型结构的磁铁磁场分布图；

图4为本发明的螺旋管型结构的磁铁磁场分布图；

图5为闪电定位仪在U型结构磁场测试时的天线位置结构图；

图6为闪电定位仪在螺旋管型结构磁场测试时的天线位置结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

如图1-6所示，本发明的闪电定位仪检测标定系统，包括依次连接的高频电磁场发生器、阻抗匹配与驱动电路、可编程DDS任意波形发生器、数据处理与显示终端、天线测试仪，所述可编程DDS任意波形发生器模拟产生任意形状的雷电波形，经阻抗匹配和驱动电路驱动高频电磁场发生器产生变化磁场，将闪电定位仪的正交环天线置于高频电磁场发生器的电磁线圈产生的变化磁场中，其输出信号接入天线测试仪，天线测试仪测量出正交环天线的接收带宽和增益，完成对正交环天线性能的测量，所述天线测试仪将测试结果输入到数据处理与显示终端，数据处理与显示终端将测量数据与可编程DDS任意波形发生器模拟数据进行对比，完成检测标定。

进一步的，所述电磁线圈为U型结构或者螺旋管型结构；当所述电磁线圈为U型结构时，该U型结构的电磁线圈为高频电磁线圈，待测正交环天线置于N极和S极之间并与中心磁感线方向成45°角；当所述电磁线圈为螺旋管型结构时，该电磁线圈为一个大尺寸的筒型高频电磁线圈，待测正交环天线置于线圈内部正中央位置，且天线与磁力线方向成45°夹角。

进一步的，所述闪电定位仪检测标定系统还包括波形显示系统，该波形显示系统包括耦合器和与耦合器相连接的波形显示器，所述耦合器连接在高频电磁场发生器的电磁线圈上，监测高频电磁场发生器生成波形状态、参数是否满足设定要求；相应的，所述可编程DDS任意波形发生器模拟产生的测试信号通过耦合器耦合到正交环天线上。

进一步的，所述闪电定位仪检测标定系统还包括电源系统；电源系统给待测闪电定位仪、闪电定位仪检测标定系统的其它组件提供统一的供电，保证电磁环境一致。

进一步的，所述闪电定位仪检测标定系统还包括RS232串口通信模块，待测的闪电定位仪天线测试仪、数据处理与显示终端通过RS232串口通信模块相连接。

进一步的，所述闪电定位仪检测标定系统为单台闪电定位仪检测标校系统或为多台闪电定位仪检测标校系统；当所述闪电定位仪检测标定系统为多台闪电定位仪检测标校系统时，所述多台闪电定位仪检测标校系统包括若干个耦合器，其中的一个耦合器与波形显示器相连接，其余耦合器连接在高频电磁场发生器上并通过高频电磁场发生器连接可编程DDS任意波形发生器，该若干个闪电定位仪通过RS232串口通信模块与数据处理与显示终端连接。

进一步的，本发明并提供了一种闪电定位仪检测标定方法，该方法的步骤是：

S1、确定检测标定的实验环境；

S2、天线测量，设计一个可编程DDS任意波形发生器，模拟产生雷电流激励脉冲信号，信号幅度、上升下降沿均可设定，经阻抗匹配和驱动电路驱动高频电磁发生器的电磁线圈产生变化磁场；正交环天线置于均匀的变化磁场中，其输出信号接入正交环天线测试仪，仪器测量出天线的接收带宽和增益，然后无线测试仪通过控制与显示终端连接可编程DDS任意波形发生器，完成对天线性能的测量；

S3，闪电定位仪标校，通过对待测闪电定位仪的时间测量值、侧向测量值、幅值测量值、自检测量值参数与标校过的信号发生器输出的标准参数进行对比，得出待测仪器是否满足技术指标要求，实现对闪电定位仪的检测标定，并实现对多台闪电定位仪同时标校，测探测仪一致性指标。

与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：

本发明提出一种闪电定位仪检测标定系统及方法，采用DDS可编程任意波形技术，可产生任意形状的雷电波形，波形幅值、上升下降沿均可设定，通过驱动高频电磁场发生器，将测试信号通过空间耦合到正交环天线，模拟产生雷电低频信号，经过有线直接输入和空间传播耦合至闪电定位仪的方式进行信号输入，通过定量测试等方法对闪电定位仪信号进行处理，并根据闪电定位仪的特征量判定仪器性能，对闪电定位仪进行了实验室测试，从而对VLF/LF闪电定位系统的数据可靠性和测量准确性进行了有效验证，得出待测仪器是否满足技术指标要求，实现对闪电定位仪检验和标校。

Claims (7)

1.一种闪电定位仪检测标定系统，其特征在于：包括依次连接的高频电磁场发生器、阻抗匹配与驱动电路、可编程DDS任意波形发生器、数据处理与显示终端、天线测试仪，所述可编程DDS任意波形发生器模拟产生任意形状的雷电波形，经阻抗匹配和驱动电路驱动高频电磁场发生器产生变化磁场，将闪电定位仪的正交环天线置于高频电磁场发生器的电磁线圈产生的变化磁场中，其输出信号接入天线测试仪，天线测试仪测量出正交环天线的接收带宽和增益，完成对正交环天线性能的测量，所述天线测试仪将测试结果输入到数据处理与显示终端，数据处理与显示终端将测量数据与可编程DDS任意波形发生器模拟数据进行对比，完成检测标定。

2.如权利要求1所述的闪电定位仪检测标定系统，其特征在于，所述电磁线圈为U型结构或者螺旋管型结构；当所述电磁线圈为U型结构时，该U型结构的电磁线圈为高频电磁线圈，待测正交环天线置于N极和S极之间并与中心磁感线方向成45°角；当所述电磁线圈为螺旋管型结构时，该电磁线圈为一个大尺寸的筒型高频电磁线圈，待测正交环天线置于线圈内部正中央位置，且天线与磁力线方向成45°夹角。

3.如权利要求1所述的闪电定位仪检测标定系统，其特征在于，所述闪电定位仪检测标定系统还包括波形显示系统，该波形显示系统包括耦合器和与耦合器相连接的波形显示器，所述耦合器连接在高频电磁场发生器的电磁线圈上，监测高频电磁场发生器生成波形状态、参数是否满足设定要求；相应的，所述可编程DDS任意波形发生器模拟产生的测试信号通过耦合器耦合到正交环天线上。

4.如权利要求1所述的闪电定位仪检测标定系统，其特征在于，所述闪电定位仪检测标定系统还包括电源系统；电源系统给待测闪电定位仪、闪电定位仪检测标定系统的其它组件提供统一的供电，保证电磁环境一致。

5.如权利要求1所述的闪电定位仪检测标定系统，其特征在于，所述闪电定位仪检测标定系统还包括RS232串口通信模块，待测的闪电定位仪天线测试仪、数据处理与显示终端通过RS232串口通信模块相连接。

6.如权利要求1所述的闪电定位仪检测标定系统，其特征在于，所述闪电定位仪检测标定系统为单台闪电定位仪检测标校系统或为多台闪电定位仪检测标校系统；当所述闪电定位仪检测标定系统为多台闪电定位仪检测标校系统时，所述多台闪电定位仪检测标校系统包括若干个耦合器，其中的一个耦合器与波形显示器相连接，其余耦合器连接在高频电磁场发生器上并通过高频电磁场发生器连接可编程DDS任意波形发生器，该若干个闪电定位仪通过RS232串口通信模块与数据处理与显示终端连接。

7.一种闪电定位仪检测标定方法，其特征在于：该方法的步骤是：

S1、确定检测标定的实验环境；

S2、天线测量，设计一个可编程DDS任意波形发生器，模拟产生雷电流激励脉冲信号，信号幅度、上升下降沿均可设定，经阻抗匹配和驱动电路驱动高频电磁发生器的电磁线圈产生变化磁场；正交环天线置于均匀的变化磁场中，其输出信号接入正交环天线测试仪，仪器测量出天线的接收带宽和增益，然后无线测试仪通过控制与显示终端连接可编程DDS任意波形发生器，完成对天线性能的测量；

S3，闪电定位仪标校，通过对待测闪电定位仪的时间测量值、侧向测量值、幅值测量值、自检测量值参数与标校过的信号发生器输出的标准参数进行对比，得出待测仪器是否满足技术指标要求，实现对闪电定位仪的检测标定，并实现对多台闪电定位仪同时标校，测探测仪一致性指标。