CN111474415A - 一种高精度雷电定位系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度雷电定位系统和方法，该系统包括磁天线传感器、与磁天线传感器连接的数据处理系统，和与数据处理系统连接的终端。本发明借助自然闪电产生的电磁波辐射，通过高灵敏度的电磁传感器探测闪电磁场波形及雷声到达时间，利用磁偏角优化和声光差定位算法实现对闪电发生位置的精确定位，高精度雷电定位的探测半径可达20 km。

Description

一种高精度雷电定位系统和方法

技术领域

本发明涉及一种雷电定位装置，尤其是一种高精度雷电定位系统，还涉及其方法，属于雷电实时监测领域。

背景技术

雷电是大气中一种常见的瞬时放电过程，一般发生在雷暴等强对流性天气系统当中，且多伴随有强风、暴雨等剧烈的天气现象。据估计，在全球范围内，平均每秒钟就有100多次的闪电过程从云内发展并击中地面，这对大气和地球之间的电位平衡具有极其重要的意义。然而，如此数量的雷击过程也对人类的生产生活造成了严重的危害。雷电破坏作用更多的是瞬时性的，其接地时的冲击波及电流泄放所产生的热效应会对击中的建筑物或其他物体造成机械损坏，瞬变电流激发、感应的强电磁场也会毁坏电力设备和电子通信系统，每年在世界范围内由雷电引起的直接和间接经济损失高达数十亿美元，人员伤亡也不在少数，被称为“电子时代的一大公害”。

雷电的发生发展过程会产生频率丰富的电磁场信号，但电场与磁场所展现的特征却不尽相同。近年来，随着研究的深入，各种高效的雷电磁场探测手段不断涌现，雷电磁场的探测能力也在不断提高。将磁场探测与相应的定位算法结合后，推动了雷电定位系统向更加精简化的方向发展。磁场传感器大都是基于法拉第电磁感应定律设计的，通过环形线圈上的电压来反映磁场的变化。而Krider等人在宽频带探测系统的基础上提出了雷电的磁定向法，才真正为雷电电磁探测的精确定位奠定了理论基础。

雷电磁场探测效果的好坏主要由磁场脉冲传感器，即磁感应线圈的性能所决定，而磁感应线圈的性能又受到磁芯的材料、尺寸和几何形状，以及线圈采用的线型和绕制方式等因素的影响。由于雷电辐射信号覆盖了从低到高很宽的频率范围，所以实际雷电磁场探测要综合各项因素设计符合需求的磁场探测设备。现有的脉冲磁场测量系统，标定系数的误差小于3％，系统能够有效地测量并评估雷击位置及附近建筑物的脉冲磁场水平。还有的现有技术对比设计了两套内外导体结构的磁天线，这种结构设计对雷电电场起到了良好的屏蔽效果，对低频失真部分进行补偿校正后得到了完整的水平磁场波形。

尽管目前已有一些较好的用于雷电监测的电磁探测手段，但结构复杂，成本昂贵，不易于组网安装和运维，还存在精度不够，对闪电的监测和预警作用不明显的问题。

因此，研制一种结构简单功能优异，且具备低成本、低功耗、易安装和易调试的雷电探测仪，对雷电实时高精度的监测，成为该领域日趋迫切的需求。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种高精度雷电定位系统和方法，本发明基于法拉第电磁感应定律，借助自然闪电产生的电磁波辐射，通过高灵敏度的磁天线和声学探测器探测闪电磁场波形及雷声传播时间，利用磁偏角定位算法实现对雷电发生位置的精确定位，高精度雷电定位的探测半径可达20km，为雷电发生位置的准确判断提供依据。

为解决上述的技术问题，本发明的技术方案具体如下：

一种高精度雷电定位系统，包括磁天线传感器、与磁天线传感器连接的数据处理系统，和与数据处理系统连接的终端；其中，磁天线传感器包括相互垂直的第一磁棒和第二磁棒，与第一磁棒和第二磁棒连接的传感器数据传输模块，与传感器数据传输模块连接的声学传感器；数据处理系统包括高速数据采集模块和数据处理传输模块；其中，第一磁棒和第二磁棒接收闪电的电磁辐射信号，声学传感器接收声学信号，传感器数据传输模块接收并传输上述信号，高速数据采集模块将上述信号转化为MHz量级的数字信号，数据处理传输模块将所述数字信号传输至终端，利用电磁波与声学信号时间差对闪电定位。

进一步地，磁天线传感器还包括固定支架，固定支架垂直设于支撑底板上，准半球形传感器外壳笼罩在支撑底板上，第一磁棒和第二磁棒相互垂直，设于固定支架顶部，传感器控制电路模块，传感器供电模块和传感器数据传输模块设于固定支架中部的平板上，声学传感器固定于传感器支撑底板下端的固定支架内侧，传感器供电模块与传感器数据传输模块和声学传感器连接，第一磁棒、第二磁棒、传感器供电模块和传感器数据传输模块设于在准半球形传感器外壳内。

进一步地，第一磁棒、第二磁棒为东西向和南北向正交放置。

进一步地，所述磁棒包括柱状铁磁内芯和紧密绕制于柱状铁磁内芯外壁的漆包线线圈，磁棒一端设有引线接口，与传感器数据传输模块连接。

进一步地，数据处理系统还包括外壳，高速数据采集、传输模块、系统供电模块固定在外壳中端的固定底板上，系统供电模块与高速数据采集和传输模块连接，与数据传输模块连接的数据线通过支撑底板上的数据线入口和数据线出口引出，将终端和磁天线传感器连接。

本发明还涉及的高精度雷电定位方法，包括如下步骤：

步骤(1)、采用东西和南北正交放置的第一磁棒和第二磁棒测量雷电产生的水平磁场，根据雷电磁场在两个垂直正交放置的磁棒上测到的磁感应强度大小的比值，确定出闪电相对于探测站的方向；其中，雷电发生位置相对于磁天线的方位角

的值按式(1)进行：

式中，B_NS和B_EW分别是南北和东西方向磁棒上测到的磁感应强度；

步骤(2)、对方位角

进行订正

当实际情况是磁偏角西偏时，即θ>0时，真实的方位角

当磁偏角东偏，θ<0时，真实的方位角

在已知地磁偏角θ的前提下，通过换算得到测站处南北和东西方向上真实的磁场分量分量B_ns和B_ew，按式(2)和式(3)进行：

B_ns＝B_NScosθ+B_EWsinθ (2)；

B_ew＝B_EWcosθ-B_NSsinθ (3)。

进一步地，还包括步骤(3)、利用电磁波与声学信号时间差对闪电定位：

方位角

即为雷电发生位置相对于磁天线的方位角，而雷电发生位置与测站中心O的距离L，通过下式(4)求出：

L＝v×(t₁-t₂)； (4)

其中，v为声速；t₁位雷声信号到达时间，t₂为电磁信号达到时间。

与现有技术相比，本发明的有益效果具体如下：

1.本发明探测效率高、探测半径大：300km范围以内、超过5kA强度雷电的探测能力100％，最远探测半径超过1000km左右。

2.本发明使用高速采集卡，实时采集、记录和传输雷电信号全波形，借助频谱分析技术，可极大提高闪电识别错误率。

3.本发明借助两个正交放置的高灵敏度磁天线传感器，可利用磁偏角优化算法对闪电发生的方位进行精确计算。

4.本发明采用声学及电学结合的手段对闪电实施精确定位，定位精度和探测效率均有保障。

5.本发明的装置整体采用全固态器件，保证了良好的密封性，可长时间应用于较恶劣的外场，可靠性和耐久性均有保障。

6.本发明全部元器件均由商业化的标准件构成，成本合理，后期易于更新和维护。

7.本发明可用于远距离甚高频雷电探测，不仅可以单站使用，也可用于大规模组网观测，借助合理的算法可以很大程度上提高闪电定位精度。

附图说明

图1是本发明的雷电定位装置的结构示意图；

图2是本发明的磁天线传感器的结构示意图；

图3是本发明的磁天线传感器的俯视图；

图4是本发明的磁天线传感器的结构图；

图5是本发明的数据处理系统的结构示意图；

图6是本发明的磁偏角优化算法示意图；

图7是本发明的磁偏角矫正计算示意图；

图8是本发明的电磁与声学信号时间差定位算法示意图；

图中：1.磁天线传感器，2.数据处理系统，3.终端，4.数据线，5.准半球磁天线外壳，6.磁棒a，7.磁棒b，8.磁棒固定架，9.控制电路模块，10.供电模块，11.传感器数据传输模块，12.固定支架，13.传感器支撑底板，14.声学传感器，15.漆包线线圈，16.铁磁内芯，17.引线接口，18.数据处理系统外壳，19.模块固定底板，20.高速数据采集模块，21.系统供电模块，22.数据分析模块，23.数据线入口，24.数据线出口。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本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对本发明一部分实例，而不是全部的实例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，高精度远距离甚低频雷电定位装置，包括磁天线传感器1，与磁天线传感器1连接的数据处理系统2，和与数据处理系统2连接的终端3。

其中，磁天线传感器1接收闪电产生的磁信号，并将模拟信号传输至数据处理系统2中进行高速采样及数模转换，数据处理系统2中的标准格式数据通过数据线4传输至终端3中，并在终端3中进行数据显示和操作。

如图2所示，本实施例的磁天线传感器1外部包括准半球形传感器外壳5和传感器支撑底板13。固定支架12垂直设于传感器支撑底板13上。

准半球形传感器外壳5内部，磁棒a6和磁棒b7正交放置于最顶端，并通过绝缘的磁棒固定架8固定于固定支架12上，磁棒a6和磁棒b7下方的固定支架12上设有控制电路模块9，同时，传感器供电模块10和传感器数据采集与传输模块11也固定于固定支架12上。传感器数据传输模块11末端与数据线4相接，并穿出传感器支撑底板13与数据处理系统2连接。

磁棒a6、磁棒b7、传感器供电模块10和传感器数据传输模块11设于在传感器外壳5和传感器支撑底板13组成的密封系统中，声学传感器14固定于传感器支撑底板13下端的固定支架12内侧，用于接收闪电的声学信号。

如图3所示，磁棒a6和磁棒b7正交放置于最顶端，一般为东西向和南北向放置，并通过磁棒固定架8固定于固定支架12上，磁棒a6设于磁棒b7上方。

本实施例的高灵敏度的磁棒a6和磁棒b7的结构完全相同，如图4所示，磁棒由漆包线线圈15和铁磁内芯16组成，铁磁内芯16的几何形状为圆柱体，漆包线线圈15为单股单层的细漆包线，并紧密绕制于铁磁内芯16外壁，并在磁棒一端留出引线接口17。一般而言，铁磁内芯16材料的长度越长、截面积越大，其灵敏度越高，对信号的接收能力也越强，反之亦然。另外，在绕制好的漆包线线圈15上，连同牛皮纸用烙铁烫上一层石蜡作涂蜡处理，保证纸筒的防潮和漆包线线圈15的绝缘性能。

如图5所示，本实施例的数据处理系统2，包括外壳18，高速数据采集模块20、系统供电模块21、数据分析处理传输模块22，均固定在外壳18下端的固定底板19上，系统供电模块21与高速数据采集模块20和数据分析处理传输模块22连接，与数据处理传输模块22连接的数据线通过外壳18上的数据线入口23和数据线出口24引出，与终端3和磁天线传感器1连接。

本实施例的基于上述装置的监测闪电的方法，原理如下：

当测站20km范围内有一次自然闪电发生时，其释放的甚低频电磁辐射会传播至测站，从而高度灵敏的磁天线传感器1中的磁棒a6和磁棒b7会首先接受到闪电的电磁辐射信号，而后声学传感器14会接收到声学信号，但由于电磁波和声波的传播速度有很大不同，两类信号到达传感器的时间会有较大差异。磁天线传感器1获取的模拟信号会传输至数据处理系统2中，并被高速采集卡将模拟信号转化为MHz量级的数字信号，通过数据处理分析模块22以有线或无线的形式传播至终端3中。在终端3中，通过磁偏角优化的算法及声光差的算法对闪电实施精确定位，从而完成一次完整的闪电探测。

其中，具体的闪电定位算法包括如下步骤：

步骤(1)、利用磁偏角算法对闪电相对于测站的方位角进行定位：

具体的，如图2和图6所示，采用两个东西和南北放置的正交环形磁棒a6和磁棒b7测量雷电产生的水平磁场，根据雷电磁场在两个垂直方向上测到的磁感应强度大小，并考虑磁偏角的影响，就可以确定出闪电相对于探测站的准确地理方向。

根据上述的定向方法，雷电发生位置相对于磁天线的方位角

的值按式(5)进行：

式中，B_NS和B_EW分别是南北和东西方向磁棒上测到的磁感应强度。这里的方位角定义为：从正北方向开始，以顺时针旋转经过的水平角度为正。

运用该定向法求方位角时，为了保证计算结果的准确，必须使磁棒a6和磁棒b7严格正交，且准确指向南北和东西方向。实际上在安装正交环形磁天线时，一般都借助指南针或罗盘进行方位校准，但指针的指向对应的是地磁南北极而非地理南北极(即指南针是根据地磁坐标定位的，这与平常所说的地理位置是不同的，即地理坐标和地磁坐标之间具有一定的偏角，地理北极与指针指向的磁北极之间存在一个角度偏差，即地磁偏角，所以由式(5)计算得到的方位角

需要进行角度订正。

在地理正北(地理坐标)和磁天线朝向(地磁坐标)的磁北之间有一个地磁偏角θ，所以磁天线上接收到的磁场分量B_NS和B_EW对应的也不是正南北和正东西方向，由此计算出的方位角

与实际的方位角之间存在一个大小等于角度θ的偏差。当实际情况是如图6所示的磁偏角西偏，即θ>0时，真实的方位角

当磁偏角东偏，θ<0时，真实的方位角

在已知地磁偏角θ的前提下，可以通过换算得到测站中心处南北和东西方向上真实的磁场分量B_ns和B_ew：

B_ns＝B_NScosθ+B_EWsinθ (6)；

B_ew＝B_EWcosθ-B_NSsinθ (7)；

如图7所示，在安装测站的过程中，可能会出现指南针校准方向的误差，或者由于某些原因磁天线朝向不确定的情况，为此我们根据多站定位结果对方位角进行了另外的角度订正。

订正的过程与磁偏角订正类似，假设磁天线的朝向未知，对于一次雷电过程，由两路天线上的信号幅值之比仍可推算得到一个角度

并且根据测站的经纬度和多站定位出的雷击位置的经纬度可以计算出准确的方位角

角度

和方位角

之间的差值即是我们订正得到的地磁偏角度γ。

步骤(2)、利用电磁波与声学信号时间差来对闪电实施距离估算定位：

具体的，如图8所示，N为地理正北方向(地理坐标)，E为地理正东方向(地理坐标)，O是测站中心，P为闪电发生的位置，P的方位角为

其中，方位角

即为雷电发生位置相对于磁天线的方位角，并已经通过算法(1)精确计算得出，在这里已经是已知量。

假设P与测站中心O的距离为L，可以通过下式求出：

L＝v×(t₁-t₂) (8)；

其中，v为声速，一般可取340m/s；t₁位雷声信号到达时间，t₂为电磁信号达到时间。其中，使用声光时间差方法对闪电进行定位，其探测距离主要受到声信号传播特性的影响。假定将产生雷声的闪电通道某点视作点声源，在理想情况下，雷声在传播中按照球面波形式衰减，有下式：

式中，△l为声音在传播过程中的衰减程度，单位dB，r为声音从点声源传播至某点的距离，单位为m。考虑理想情况，在复杂的环境以及仪器周围的噪声等因素的影响下，实际雷声的探测范围可以达到至少20km。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，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。

Claims (7)

1.一种高精度雷电定位系统，其特征在于：包括磁天线传感器、与磁天线传感器连接的数据处理系统，和与数据处理系统连接的终端；其中，磁天线传感器包括相互垂直的第一磁棒和第二磁棒，与第一磁棒和第二磁棒连接的传感器数据传输模块，与传感器数据传输模块连接的声学传感器；数据处理系统包括高速数据采集模块和数据处理传输模块；其中，第一磁棒和第二磁棒接收闪电的电磁辐射信号，声学传感器接收声学信号，传感器数据传输模块接收并传输上述信号，高速数据采集模块将上述信号转化为MHz量级的数字信号，数据处理传输模块将所述数字信号传输至终端，利用电磁波与声学信号时间差对闪电定位。

2.根据权利要求1所述的高精度雷电定位系统，其特征在于：磁天线传感器还包括固定支架，固定支架垂直设于支撑底板上，准半球形传感器外壳笼罩在支撑底板上，第一磁棒和第二磁棒相互垂直，设于固定支架顶部，传感器控制电路模块，传感器供电模块和传感器数据传输模块设于固定支架中部的平板上，声学传感器固定于传感器支撑底板下端的固定支架内侧，传感器供电模块与传感器数据传输模块和声学传感器连接，第一磁棒、第二磁棒、传感器供电模块和传感器数据传输模块设于在准半球形传感器外壳内。

3.根据权利要求1所述的高精度雷电定位系统，其特征在于：第一磁棒、第二磁棒为东西向和南北向正交放置。

4.根据权利要求1所述的高精度雷电定位系统，其特征在于：所述磁棒包括柱状铁磁内芯和紧密绕制于柱状铁磁内芯外壁的漆包线线圈，磁棒一端设有引线接口，与传感器数据传输模块连接。

5.根据权利要求1所述的高精度雷电定位系统，其特征在于：数据处理系统还包括外壳，高速数据采集、传输模块、系统供电模块固定在外壳中端的固定底板上，系统供电模块与高速数据采集和传输模块连接，与数据传输模块连接的数据线通过支撑底板上的数据线入口和数据线出口引出，将终端和磁天线传感器连接。

6.一种高精度雷电定位方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤(1)、采用东西和南北正交放置的第一磁棒和第二磁棒测量雷电产生的水平磁场，根据雷电磁场在两个垂直正交放置的磁棒上测到的磁感应强度大小的比值，确定出闪电相对于探测站的方向；其中，雷电发生位置相对于磁天线的方位角

的值按式(1)进行：

式中，B_NS和B_EW分别是南北和东西方向磁棒上测到的磁感应强度；

步骤(2)、对方位角

进行订正

当实际情况是磁偏角西偏时，即θ>0时，真实的方位角

当磁偏角东偏，θ<0时，真实的方位角

在已知地磁偏角θ的前提下，通过换算得到测站处南北和东西方向上真实的磁场分量分量B_ns和B_ew，按式(2)和式(3)进行：

B_ns＝B_NScosθ+B_EWsinθ (2)；

B_ew＝B_EWcosθ-B_NSsinθ (3)。

7.根据权利要求1所述的高精度雷电定位方法，其特征在于：还包括步骤(3)、利用电磁波与声学信号时间差对闪电定位：

方位角

即为雷电发生位置相对于磁天线的方位角，而雷电发生位置与测站中心O的距离L，通过下式(4)求出：

L＝v×(t₁-t₂)； (4)

其中，v为声速；t₁位雷声信号到达时间，t₂为电磁信号达到时间。

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