CN203101662U

CN203101662U - 一种雷暴天气现象仪

Info

Publication number: CN203101662U
Application number: CN2012202218125U
Authority: CN
Inventors: 宁军; 郭俊红; 孙应统; 黄衍洪
Original assignee: Beijing Lanhu Space Science & Technology Development Center
Current assignee: Beijing Lanhu Space Science & Technology Development Center
Priority date: 2012-05-16
Filing date: 2012-05-16
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2022-05-16

Abstract

本实用新型涉及一种雷暴天气现象仪，包括光探测模块、电场探测模块、雷暴信号综合处理模块和通信模块；所述光探测模块用于采集并处理光信号，并将处理后的光信号传递给所述雷暴信号综合处理模块；所述电场探测模块用于探测并处理电场信息，并将处理后的电场信息传递给所述雷暴信号综合处理模块；所述雷暴信号综合处理模块用于分辨和处理所述光探测模块及所述电场探测模块传递的雷电信息，并得到准确的雷暴气象数据，再将所述雷暴气象数据传递给所述通信模块；所述通信模块，用于将雷暴气象数据发送给用户。本实用新型所述的雷暴天气现象仪提高了对雷暴天气现象观测记录的准确性、实时性。

Description

一种雷暴天气现象仪

技术领域

本实用新型涉及一种雷暴天气现象仪，特别是涉及一种自动观测并自动记录雷暴天气现象的雷暴天气现象仪。

背景技术

雷电是大气中的放电现象，当云内电荷产生的电场击穿空气后出现电流，电流加热闪电通道的空气产生光和声音。人们观察到的闪电光和雷声，都是雷电流与空气作用产生的结果。雷电是指单个闪电事件，而雷暴是气象学对雷电活动整个过程的描述，雷暴现象出现时必有强烈的积雨云活动。因此，往往有阵雨、冰雹、大风、龙卷风等伴生。

用雷声的强弱和持续时间的长短来判断雷电活动过程的强弱是不科学的。雷声只是雷电放电过程中雷电流加热空气而产生的次效应，且雷声的传播受环境影响很大，雷声大小与雷电活动强弱之间的联系很松散，不适合作为雷电活动强弱的标志。雷电活动归根到底是云内电荷的放电现象，测量雷电的电学参量才能真正反映一次雷电活动的强弱。将雷电活动强度按一次雷电活动周期内闪电次数总和和单位时间内放电次数的峰值加权分级能更准确反映雷电活动的强弱。同时雷电的放电次数也能很好地反映短期灾害性天气现象，如单位时间内雷电放电次数与冰雹的关系，又如落雷数量与降雨量的线性关系等等。

雷电的监测方法主要有：目测、光学照相、、闪电计数器、光谱仪、脉冲电压记录仪、卫星闪电探测器、声探测器、雷达探测、大气静电场仪、雷电定位仪等等。雷暴是气象观测中必须观测并记录的重要天气现象之一，而目前尚无雷暴现象的自动观测记录设备。

目前，已广泛应用的雷电监测设备一是雷电定位探测技术；二是大气电场探测技术；以及二者合一的全雷电探测技术等。这些技术的应用，都只是利用探测雷电发生前后的电磁波原理，监测闪电电流产生的电磁波，判定是否出现雷电，或已经发生的雷电的位置、时间等，并不测量闪电产生的光和声信号。这与地面气象观测对雷暴天气现象的记录形式不一致，无法满足地面气象要素中对雷暴天气现象自动观测的需要。概括地说，现在技术中的雷电天气探测主要缺点是：一探测的要素不是地面气象规范中规定的雷暴天气现象；二是探测的信息为区域性雷电过程或趋势，而非测站实际测量记录的现象。

根据国家和军队行业标准《地面气象观测规范》(解放军总参谋部，2001和中国气象局，2007)规定，与其他气象要素观测不同的是，对任何时间出现的天气现象必须随时进行观测和记录。而由于雷暴天气现象观测目前仍然属于人工目测范围，并有部分气候台站不能进行全天值班。受人工技能、责任心和值班班次影响，造成在气候统计资料中，雷暴天气现象实际发生日数、时数，以及移动方向、出现时间等方面，出现雷暴天气大量漏测、缺测统计。难以全面反应该天气现象发生状况。而本实用新型所述的雷暴天气现象仪的研发填补了这个空白，它利用雷电的光信号和电信号时同时发生的特点，可以把雷电误报的概率降到最低，并与自动气象站其它要素相配合，使得完整的天气现象自动观测得以实现。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种雷暴天气现象仪，用于解决现有技术中对雷暴天气现象观测记录不够准确的问题。

本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种雷暴天气现象仪，包括光探测模块、电场探测模块、雷暴信号综合处理模块和通信模块；

所述光探测模块与所述雷暴信号综合处理模块连接，用于采集并处理光信号，并将处理后的光信号传递给所述雷暴信号综合处理模块。这里，雷电产生的光谱从紫外到红外都有，每一次闪电辐射的光能平均为450KJ，其主要能量集中在红外谱段，相对可见光具有更强的穿云雾能力。

所述电场探测模块，其与所述雷暴信号综合处理模块连接，用于探测并处理电场信息，并将处理后的电场信息传递给所述雷暴信号综合处理模块。这里的电场信息，包括电场的强度和方向等信息。这里，雷电电流产生电磁辐射，其信号波形为多个孤立的脉冲波，频谱范围从几Hz到几个GHz，主要的能量集中在400KHz以下，对云地闪，在100Km远处的平均电场幅度为6V/m。

所述雷暴信号综合处理模块，其分别与所述光探测模块与所述电场探测模块连接，用于分辨和处理所述光探测模块及所述电场探测模块传递的雷电信息，并得到准确的雷暴气象数据；所述雷暴信号综合处理模块还与所述通信模块连接，用于将所述雷暴气象数据传递给所述通信模块。所述雷暴信号综合处理模块的功能相当于CPU，所述电场探测模块和所述光探测模块分别将探测到的雷电电场强度、方向参数和雷电光信号参数传输给所述雷暴信号综合处理模块；经过辨别后，所述雷暴信号综合处理模块将探测到得数据进行处理，得到雷电放电源的方位，发生的时间和类型（雷暴天气的类型主要是指是云闪还是正云地闪，或是负云地闪），累记雷电的次数，分辨雷暴或闪电等参数信息，同时统计雷电发生的次数。

所述通信模块，用于经所述雷暴信号综合处理模块处理后的雷暴气象数据发送给用户。

在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。

进一步，所述光探测模块包括依次连接的光敏二极管、I-V变换模块（即电流-电压变换模块）、放大模块、滤波模块和模数转换模块。

进一步，所述电场探测模块包括依次连接的电场天线、放大模块、滤波模块及模数转换模块。

进一步，所述电场探测模块的电场信号探测频段是1KHz至200KHz。这是因为云闪在LF频段（即低频频段）辐射电磁信号，尽管在高频段也可探测雷电信号，但LF频段相对其他频段有很大优势，具体为：可以探测全面云地闪和云闪的辐射信号；可以区分云地闪的极性；可以判断闪电电流的强弱；此频段信号绕射能力强；此频段雷电信号强度高等。

本实用新型的有益效果是：本实用新型所述的雷暴天气现象仪可替代人工对雷暴天气现象的自动观测，可用于自动记录雷暴天气现象活动信息，也可提供雷电监测、预警信息。它能够精确记录雷暴天气现象发生的时间，能够辨别雷暴天气现象类型，能够确定雷暴天气现象发生的方位，能够精确记录雷暴天气现象，并对系统工作状态进行检测，判断其工作状态是否正常，同时还将雷暴天气现象准确显示给客户端，还具有实时传输给用户其他信息的功能。综上，本实用新型所述的雷暴天气现象仪提高了对雷暴天气现象观测记录的准确性、实时性。

附图说明

图1为本实用新型所述雷暴天气现象仪的结构图；

图2为本实用新型所述光探测模块的结构图；

图3为本实用新型所述电场探测模块的结构图；

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、光探测模块，2、电场探测模块，3、雷暴信号综合处理模块，4、通信模块。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

如图1所示，本实施例所述的一种雷暴天气现象仪，包括光探测模块1、电场探测模块2、雷暴信号综合处理模块3和通信模块4；

所述光探测模块1，用于采集并处理光信号，并将处理后的光信号传递给所述雷暴信号综合处理模块。所述光探测模块结构如图2所示，包括依次连接的光敏二极管、I-V变换模块、放大模块、滤波模块和模数转换模块。

闪电产生的光谱从紫外到红外都有，多次的闪电观测数据表明雷电的光信号在1100nm内都有较强的信号。每一次闪电辐射的光能平均为450KJ。其能量大部分集中在近紫外到近红外谱段，平均闪电光辐射强度大小不一致。

考虑到雷暴天气现象仪的实际需求，本实施例采用光测量法，用光敏器件分别感应不同方向闪电的光，确定闪电方向。这样既可以测量云闪也可测量云地闪。同时光传感器的灵敏度可以探测到30Km外的闪电光，满足设备需要。现有光敏器件的的响应范围多在400nm至1100nm之间，正适合闪电的光探测需要，因此本实施例选择在此频段内探测，可以提高对闪电探测的效率，制造成本较低。近红外信号相对可见光具有更强的穿透能力，减小漏报概率。

此外，为避免日光对探测的干扰，可采用以下方法：日光是一个缓慢变化的量，其变化周期在秒量级，而闪电光信号是快变化信号，光脉冲持续时间在200微秒左右，因此采用高通滤波可以把雷电信号提取出来。

所述电场探测模块2，用于探测并处理电场信息，并将处理后的电场信息传递给所述雷暴信号综合处理模块。这里的电场信息，包括电场的强度和方向等信息。所述电场探测模块结构如图3所示，包括依次连接的电场天线、放大模块、滤波模块及模数转换模块。

此外，所述电场探测模块的电场信号探测频段是1KHz至200KHz。根据此频段雷电信号的时域波形特点，可将其作为区分雷电信号和人为干扰信号的依据，但如果仅仅依靠电信号判断是否有雷电发生会导致较高的误报率，这是本实施例所述的雷暴天气现象仪引入光探测模块的原因。

所述雷暴信号综合处理模块3，用于分辨和处理所述光探测模块及所述电场探测模块传递的雷电信息，得到准确的雷暴气象数据，并将所述雷暴气象数据传递给所述通信模块。

所述通信模块4，用于经所述雷暴信号综合处理模块处理后的雷暴气象数据发送给用户。

此外，雷电产生的雷声其主要能量集中在5000Hz以下，雷声中高频分量随距离衰减很快，在1Km远处信号能量多集中在500Hz以下，其峰值在100Hz-200Hz，由于大气温度随高度递减，雷声在传播过程其传播路径向上弯曲。所以对地面观测而言，理论雷声最远可闻的距离<30Km。实际雷声可闻距离在7-10Km以内。理论上可以利用雷电声电信号的传播速度不同测量闪电到探测点的距离，但由于雷电活动时，单位时间内放电密度高，从云层，地面反射的雷声互相混杂，雷电的光信号和电信号很难与声信号对应。雷电声电测距法基本无法使用，雷电的声信号利用价值很小，加之声传感器在室外工作条件下可靠性较低，日常维护工作较多，对雷电记录仪的工作需求没有帮助，因此雷电天气现象自动观测传感器不必带有声传感器。

总之通过同时测量闪电的电场和光信号，根据闪电电场信号的波形特点和光信号的特点，以及两者时间上的紧密联系，本实施例所述的雷暴天气现象仪可以可靠地区分闪电信号和其他干扰信号。

雷暴天气现象仪是利用监测雷暴发生时闪电光电磁场信号与雷电信号的因果关系，探测闪电发出的电磁波和光波，准确测定是否发生雷暴的新型雷电探测设备。该设备可以实现对雷暴天气现象的自动观测和记录，从而解决人工观测的局限性，降低气象观测人员的工作强度。

应用雷电天气现象仪，可在空间和时间上无缝隙记录雷暴天气现象。通过自动记录统计雷电的次数和单位时间内放电次数可以有效反映雷电活动的强弱，也更符合天气现象观测的需求。

本实用新型所述的雷暴天气现象仪的系统指标如下：

监测距离≥30Km；

漏报率≤1%，(观测范围内，小(中常)雷暴过程)；

空报率≤1%。(非雷暴天气现象产生的电、声、光频谱，被设备捕捉到，称为空报)；

方位分辨率：22.5°(16分之一方位)；

雷暴强度判别误差：＜20%；

电频带：2KHz—200KHz；

光频带：400nm—1100nm；

光灵敏度：60Lux；

电灵敏度：2V/m；

功耗≤4W；

工作温度：－40℃～＋55℃；

电源：＋10～＋18DCV或220ACV±10%50Hz±5%；

通信接口：串行ASCII格式、RS-232，4800bps

平均故障间隔时间（MTBF）：≥7000h；

平均修复时间（MTTR）：≤1h。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种雷暴天气现象仪，其特征在于，包括光探测模块、电场探测模块、雷暴信号综合处理模块和通信模块；

所述光探测模块，其与所述雷暴信号综合处理模块连接，用于采集并处理光信号，并将处理后的光信号传递给所述雷暴信号综合处理模块；

所述电场探测模块，其与所述雷暴信号综合处理模块连接，用于探测并处理电场信息，并将处理后的电场信息传递给所述雷暴信号综合处理模块；

所述雷暴信号综合处理模块，其分别与所述光探测模块与所述电场探测模块连接，用于分辨和处理所述光探测模块及所述电场探测模块传递的雷电信息，并得到准确的雷暴气象数据；所述雷暴信号综合处理模块还与所述通信模块连接，用于将所述雷暴气象数据传递给所述通信模块；

所述通信模块，用于将经所述雷暴信号综合处理模块处理后的雷暴气象数据发送给用户。

2.根据权利要求1所述的雷暴天气现象仪，其特征在于，所述光探测模块包括依次连接的光敏二极管、I-V变换模块、放大模块、滤波模块和模数转换模块。

3.根据权利要求1所述的雷暴天气现象仪，其特征在于，所述电场探测模块包括依次连接的电场天线、放大模块、滤波模块及模数转换模块。

4.根据权利要求1所述的雷暴天气现象仪，其特征在于，所述电场探测模块的电场信号探测频段是1KHz至200KHz。