CN203858379U - 一种应用于气象台站的雷暴日自动记录系统 - Google Patents
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Abstract
一种应用于气象台站的雷暴日自动记录系统，包括一台或多台雷暴日自动记录装置和一个远程服务器，雷暴日自动记录装置包括电场平板天线、麦克风阵列、太阳能电池板、GPS天线、终端和支架，电场平板天线、麦克风阵列、太阳能电池板、GPS天线、终端均安装在支架上；麦克风阵列由若干个对称平均分布在绕所述支架一定距离的平面圆形阵列上的麦克风组成；雷暴日自动记录装置通过3G通信模块与3G网络通信，同时，远程服务器通过INTERNET网络连接到3G网络。本实用新型的有益效果：自动记录雷电发生时间和方位，并将雷电数据发送给远程服务器，远程服务器统计每次雷暴过程的起止时间和开始、终止方向，并计算观测站辖区的年雷暴日；成本低廉、简单可靠。
Description
技术领域
本实用新型涉及自然雷电监测与防护技术领域，特别涉及一种应用于气象台站的雷暴日自动记录系统。
背景技术
作为现有防雷工程领域和气象业务的一个重要基础数据，雷电参数(如雷暴日、雷电频数、雷电密度等)可直接表明某一区域雷电活动的强弱特征。而其中的雷暴日参数是目前唯一有长期记录且在现有工程领域广泛使用的基础数据，具有重要价值。《建筑物防雷设计规范》(GB50057-2010)中就广泛使用了雷暴日这一参数，如：
“A.0.2雷击大地的年平均密度，首先应按当地气象台、站资料确定；若无此资料，可按下式计算。
Ng＝0.1×Td (A.0.2)
式中：Td—年平均雷暴日，根据当地气象台、站资料确定(d/a)。”
据申请人查询知，《地面气象观测规范》第4部分：天气现象观测(QX/T48-2007)中对雷暴日的记录方式做了规定：
“(9)雷暴应从整体出发判别其系统，记录其起止时间和开始、终止方向，切忌零乱记载”。
雷暴的观测与记录通常是依靠观测员是否听到雷声来记录雷暴的发生时间及相对方位，1天中只要听到1次或以上的雷声即计为1个雷暴日，即人工雷暴日。人工雷暴日依赖于观测员的主观判断，跟他对雷声敏感度、听觉能力、所处地形与环境有关。国外科学研究表明，听力好的人可以听到20km以外的雷声，听力不好的人连5km处发生的雷声都听不到，从而造成了现有人工记录雷暴日的方式不够客观准确。同时，在国家一般气象站由于没有24h值班制度，夜间发生的雷电很容易漏记，也会导致雷暴日数少于实际发生雷电的天数。所以急需一种自动记录雷暴日的方法与装置来替代人工记录。
专利申请号201110000685.6的申请文件提供了一种自动记录年雷暴日的装置，能够自动记录雷暴发生的时间和次数，并通过软件计算观测站辖区的年雷暴日。而根据《地面气象观测规范》的要求，该装置的缺陷就在于，该装置缺少辨别雷暴方位的方法与功能，所以，并不能起到替代人工记录雷暴日的作用。
另据申请人所知，文献《雷电日统计方法》中使用了网格法来对雷电定位系统自动监测数据进行统计，实现了对雷暴日参数的非人工统计。但是无论是雷电灾害风险评估还是建筑物选址等雷电防护工程所用到的雷暴日资料，都要求反映历史上的气候平均状况，因此要用 多年的监测资料。该方法的缺陷就在于，区域性的雷电定位资料积累的年数短，为便于气象业务和防雷工程领域在现有防雷设计规程下参考，仍需用气象雷暴日资料延长网格法分析雷电定位资料得到的雷暴日资料，且长期积累的气象雷暴日资料是确定网格法中网格大小选取的唯一标尺。另外，网格法也不能避免部分气象台站观测点处于网格边缘的不合理性。
长期积累的雷暴日参数对于防雷工程设计和气象历史数据研究有重要的价值，将来也会与其他新的雷电参数并存。因此，提高其监测手段，完善其统计方法是首要任务。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是，针对现有雷电监测存在的上述不足，提供一种应用于气象台站的雷暴日自动记录系统，利用雷电发生时伴随的电场信号和雷声信号作为判定标准，两种信号同时出现时才进行记录雷电的发生时间，并将雷电的发生时间数据发送给远程服务器。
本实用新型为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种应用于气象台站的雷暴日自动记录系统，包括一台或多台雷暴日自动记录装置和一个远程服务器，
所述雷暴日自动记录装置包括电场平板天线、麦克风阵列、太阳能电池板、GPS天线、终端和支架，所述电场平板天线、麦克风阵列、太阳能电池板、GPS天线、终端均安装在支架上；所述电场平板天线用于探测雷电发生时的电场信号，所述麦克风阵列由若干个对称平均分布在绕所述支架一定距离的平面圆形阵列上的麦克风组成；所述终端包括调理电路、单稳态触发电路、与门电路、电源控制器模块、蓄电池和通信记录单元，所述调理电路由放大器和滤波器组成，所述通信记录单元由GPS时间模块、中央处理模块、3G通信模块和存储模块组成，所述电场平板天线经过调理电路、单稳态触发电路与各个与门电路的一个输入端连接，所述各个麦克风阵列分别经过调理电路、单稳态触发电路与对应一路与门电路的另一个输入端连接，各个与门电路的输出端均连接到中央处理模块，所述GPS天线通过GPS时间模块与中央处理模块连接，所述太阳能电池板和蓄电池分别通过电源控制器模块与中央处理模块连接，所述3G通信模块和存储模块分别与中央处理模块连接；
所述雷暴日自动记录装置通过3G通信模块与3G网络通信，同时，所述远程服务器通过INTERNET网络连接到3G网络，用于接收当前各个雷暴日自动记录装置上传的雷暴数据、并调用及查看保存在所述雷暴日自动记录装置中的历史数据。
按上述方案，所述雷暴日自动记录装置根据组网方案架设于各个气象台站的观测点，且各个雷暴日自动记录装置均设定唯一的识别码。
按上述方案，所述麦克风阵列由8个频段均为15Hz～20kHz的麦克风组成，1-8#麦克风 对称平均分布(两两夹角为45°)在绕所述支架半径0.5m的平面圆形阵列远端部。
按上述方案，所述1-8#麦克风按顺时针排列，1#麦克风位于正对北向、2#麦克风正对东北向、3#麦克风正对东向、4#麦克风正对东南向、5#麦克风正对南向、6#麦克风正对西南向、7#麦克风正对西向、8#麦克风正对西北向。
本实用新型雷暴日自动记录系统进行雷暴日自动记录的方法，包括以下步骤：
1)当有雷电发生时，电场平板天线接收到雷电过程发生时产生的电场信号，电场信号经过调理电路的放大、滤波操作后，进入与调理电路相连的单稳态触发电路，一旦超过单稳态触发电路预先设定的触发阈值，单稳态触发电路便输出持续时间t的+5V窗口电平信号给与之相连的与门电路；
2)在雷电电场信号接收到之后，麦克风阵列的8路精密麦克风也接收到雷声信号，雷声信号分别经过与各路麦克风对应相连的调理电路的放大、滤波操作后，分别进入与调理电路相连的单稳态触发电路，一旦超过单稳态触发电路预先设定的触发阈值，单稳态触发电路便输出持续时间为300ms的+5V窗口电平信号给与之相连的与门电路；
3)8路因雷声信号触发产生的300ms的+5V窗口电平和因雷电电场信号触发产生的持续时间t的+5V窗口电平分别经过一路与门电路之后，进入中央处理模块，中央处理模块一旦检测到与8路与门电路相连的输入端有上升沿信号产生，便分别记录下8路窗口电平上升沿时刻的GPS打码时间。
所述的t的取值范围根据气象台站间的距离或者组网方案确定：将气象台站或者其他组网方案中雷暴日自动记录装置间的架设距离除以声音的传播速度，即可得到t的取值，其中，声音的传播速度取340m/s。
所述GPS打码时间，是在中央处理模块分别接收到8路上升沿信号的同时，按上升沿信号进入中央处理模块的先后顺序输出触发信号给GPS时间模块，GPS时间模块给出此刻的精确GPS时间，格式为：130808092955.154376541，代表13年8月8日9时29分55秒，精确到10-9s。
本实用新型的有益效果：
1、一种应用于气象台站的雷暴日自动记录装置结构简单、紧凑、成本低廉，采用3G无线网络进行数据传输，利用太阳能自供电，可方便地架设于需要获得雷暴日数据的气象台站进行长期连续观测；
2、利用雷电发生时伴随的电场信号和雷声信号作为判定标准，两种信号同时出现时才进行记录，提高了数据的准确性；
3、分布在各气象台站的雷暴日自动记录装置进行组网观测，可实现某一区域的年雷暴日 参数统计；
4、因电场信号触发的+5V窗口电平持续时间t可根据组网方案灵活设定，可有效提高区域覆盖率和避免数据重复率。
附图说明
图1是本实用新型雷暴日自动记录装置的外观结构示意图；
图2是本实用新型雷暴日自动记录装置的原理方框图；
图3是本实用新型应用于气象台站的雷暴日自动记录系统的总体架构图；
图4是本实用新型雷暴日自动记录方法的工作流程图；
图5为本实用新型雷声信号触发起始时刻判定原理图；
图6为本实用新型雷电方位判定原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步详细的说明。
参见图1～图2，本实用新型所述的雷暴日自动记录装置1包括：电场平板天线1.1、麦克风阵列1.2、太阳能电池板1.3、GPS天线1.4、终端1.5和支架1.6，所述电场平板天线1.1、麦克风阵列1.2、太阳能电池板1.3、GPS天线1.4、终端1.5均安装在支架1.6上；所述电场平板天线1.1用于探测雷电发生时的电场信号，所述麦克风阵列1.2由8个频段均为15Hz～20kHz的精密麦克风组成，1-8#麦克风对称平均分布(两两夹角为45°)在绕支架1.6半径0.5m的平面圆形阵列远端部，所述终端1.5包括调理电路1.5.1、单稳态触发电路1.5.2、与门电路1.5.3、电源控制器模块1.5.4、蓄电池1.5.5和通信记录单元1.5.6，所述调理电路1.5.1由放大器和滤波器组成，所述通信记录单元1.5.6由GPS时间模块1.5.7、中央处理模块1.5.8、3G通信模块1.5.9和存储模块1.5.10组成，所述电场平板天线1.1经过调理电路1.5.1、单稳态触发电路1.5.2与各个与门电路1.5.3的一个输入端连接，所述各个麦克风阵列1.2分别经过调理电路1.5.1、单稳态触发电路1.5.2与对应一路与门电路1.5.3的另一个输入端连接(调理电路1.5.1的输出端与单稳态触发电路1.5.2的输出端连接，单稳态触发电路1.5.2的输出端与与门电路1.5.3的输入端连接)，各个与门电路1.5.3的输出端均连接到中央处理模块1.5.8，所述GPS天线1.4通过GPS时间模块1.5.7与中央处理模块1.5.8连接，所述太阳能电池板1.3和蓄电池1.5.5分别通过电源控制器模块1.5.4与中央处理模块1.5.8连接(所述太阳能电池板1.3接收的太阳光能转化为电能后经所述电源控制器模块1.5.4给蓄电池1.5.5充电，该电源控制器模块1.5.4控制蓄电池1.5.5的输出电压并防止过充过放，通过中央处理模块1.5.8为雷暴日自动记录装置1提供工作电源)，所述3G通信模块1.5.9和存储模块1.5.10分别与中央处理模块1.5.8连接。
参照图3，本实用新型所述的应用于气象台站的雷电日自动记录系统，包括一台或多台雷暴日自动记录装置1和一个远程服务器2，所述雷暴日自动记录装置1根据组网方案在各个气象台站的观测点选择合适的位置架设架设时，各个雷暴日自动记录装置的1#麦克风指向正北，并分别给各个雷暴日自动记录装置1设定唯一的识别码1，2，3，…，n；所述雷暴日自动记录装置1通过3G通信模块1.5.9与3G网络4通信，同时，所述远程服务器2通过INTERNET网络3连接到3G网络4、用于接收当前各个雷暴日自动记录装置1上传的雷暴数据及工作状态、并调用及查看保存在所述雷暴日自动记录装置1中的历史数据3G通信模块1.5.9与3G网络4通信、用于将雷暴日自动记录装置1的雷电数据发送给远程服务器2，最终通过统计程序，得到该次雷暴过程的起止时间和开始、终止方向；通过所述远程服务器2长期积累的雷暴日数据，得到某一区域的年雷暴日等参数。
所述的t的取值范围根据气象台站间的距离或者组网方案确定：将气象台站或者其他组网方案中雷暴日自动记录装置间的架设距离除以声音的传播速度，即可得到t的取值，其中，声音的传播速度取340m/s。
参照图4所示，本实用新型雷暴日自动记录系统进行自动记录方法的工作流程图：
1)当有雷电发生时，电场平板天线1.1接收到雷电过程发生时产生的电场信号，电场信号经过与电场平板天线1.1相连的调理电路1.5.1的放大、滤波操作后，进入与调理电路1.5.1相连的单稳态触发电路1.5.2，一旦超过单稳态触发电路1.5.2预先设定的触发阈值，单稳态触发电路1.5.2便输出持续时间t的+5V窗口电平信号给与之相连的与门电路1.5.3；
2)在雷电电场信号接收到之后，麦克风阵列1.2的8路精密麦克风也接收到雷声信号，雷声信号分别经过与各路麦克风对应相连的调理电路1.5.1的放大、滤波操作后，分别进入与调理电路1.5.1相连的单稳态触发电路1.5.2，一旦超过单稳态触发电路1.5.2预先设定的触发阈值，单稳态触发电路1.5.2便输出持续时间为300ms的+5V窗口电平信号给与之相连的与门电路1.5.3；
3)8路因雷声信号触发产生的300ms的+5V窗口电平和因雷电电场信号触发产生的持续时间t的+5V窗口电平分别经过一路与门电路1.5.3之后，进入中央处理模块1.5.8，中央处理模块1.5.8一旦检测到与8路与门电路1.5.3相连的输入端有上升沿信号产生，便分别记录下8路窗口电平上升沿时刻的GPS打码时间；
4)基于8路GPS打码时间，中央处理模块1.5.8通过写入的雷电方位分析算法，自动计算出该次雷电发生的起止时间与方位，并以一定数据格式保存到所述通信记录单元1.5.6的存储模块1.5.10中。
所述GPS打码时间，是在中央处理模块1.5.8分别接收到8路上升沿信号的同时，按上 升沿信号进入中央处理模块1.5.8的先后顺序输出触发信号给GPS时间模块1.5.7，GPS时间模块1.5.7给出此刻的精确GPS时间，格式为：130808092955.154376541，代表13年8月8日9时29分55秒，精确到10-9s。
所述雷电方位分析算法如下：首先，将8路GPS打码时间做比较，得到最早的一路GPS打码时间，该打码时间即为雷电的起始发生时间；然后，找到该路GPS打码时间所对应的是8路麦克风中哪一路输入的，按照雷暴日自动记录装置1架设时约定的麦克风指向，得到该次雷电的方位。
图5为本实用新型雷声信号触发起始时刻判定原理图，作为原理介绍，以1#麦克风信号和2#麦克风信号为例，1#麦克风接收到的雷声信号经过放大与滤波等操作之后，进入到单稳态触发电路1.5.2，经处理后的第1路雷声信号4.1的幅值一旦超过单稳态触发电路1.5.2中预先设置的触发阈值电压，单稳态触发电路1.5.2便输出持续300ms且+5V的窗口电平信号4.3，触发时刻记为t1，2#麦克风接收到的雷声信号经过放大与滤波等操作之后，进入到单稳态触发电路1.5.2，经处理后的第2路雷声信号4.2的幅值一旦超过单稳态触发电路1.5.2中预先设置的触发阈值电压，单稳态触发电路1.5.2便输出持续300ms且+5V的窗口电平信号4.4，触发时刻记为t2，这里的t1、t2代表不同的触发时刻，不代表具体的触发时间，其余6路麦克风(6-8#麦克风)接收到的雷声信号触发起始时刻的获取方法类似。
图6为本实用新型雷电方位判定原理图，该图体现了实际麦克风阵列的排布方式，1-8#麦克风平均分布(两两夹角为45°)在绕支架1.5半径为0.5m的平面圆形阵列的远端部，按顺时针排列，1#麦克风位于正对北向、2#麦克风正对东北向、3#麦克风正对东向、4#麦克风正对东南向、5#麦克风正对南向、6#麦克风正对西南向、7#麦克风正对西向、8#麦克风正对西北向；来自某个方位的雷电，由于到达8个麦克风的距离是不同的，而在直径1米的距离内，可以认为雷声的速度是一定的，那么雷声到达每个麦克风的时间就不同，而且一定是距离雷电发生方位更近的那支麦克风先收到雷声信号，这样，最先收到雷声信号的那支麦克风所指向的方位即为雷电方位，收到雷声信号的时间即为雷电发生时间。
以1#麦克风(图中点d位置)和2#麦克风(图中点c位置)与支架1.6中心(圆心O)所夹的1/8圆区域(即Od与Oc这两条射线所夹区域)的雷电方位判定情况为例：假设雷电发生于b点(Od与Oc这两条射线的中线Oa线的右侧)，则雷电与1#麦克风之间的距离为bd，雷电与2#麦克风之间的距离为bc，dc为1#麦克风与2#麦克风之间的距离，Oa射线垂直平分dc于点O1，以点b做dc线的垂直线于点O2，则O2d的长度大于O2c，根据勾股定理可知，bd的长度大于bc，可知，在中线Oa线右侧的雷声都将最先到达2#麦克风，在中线Oa线左侧的雷声都将最先到达1#麦克风，其他7个1/8圆区域情况类似。
有一类特殊的情况需要做特别的约定，这里以1#麦克风和2#麦克风的情况为例介绍：如果雷电的方位来自于Oa这条线及其延长线上，即Od与Oc这两条线的中线上，这条线上的雷声最先且同时到达1#麦克风和2#麦克风，这里约定1#麦克风和2#麦克风中线上的雷声的方位归于东北面，依然按照顺时针设定，依次：2#麦克风和3#麦克风中线上的雷声的方位归于东面，3#麦克风和4#麦克风中线上的雷声的方位归于东南面，4#麦克风和5#麦克风中线上的雷声的方位归于南面，5#麦克风和6#麦克风中线上的雷声的方位归于西南面，6#麦克风和7#麦克风中线上的雷声的方位归于西面，7#麦克风和8#麦克风中线上的雷声的方位归于西北面，8#麦克风和1#麦克风中线上的雷声的方位归于北面。在这种情况下采用上述方位设定更方便判别雷电的方向而不引发混淆。
以上所述仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改，等同变化或修饰，均落在本实用新型的保护范围内。
Claims (4)
1.一种应用于气象台站的雷暴日自动记录系统，其特征在于：包括一台或多台雷暴日自动记录装置和一个远程服务器，
所述雷暴日自动记录装置包括电场平板天线、麦克风阵列、太阳能电池板、GPS天线、终端和支架，所述电场平板天线、麦克风阵列、太阳能电池板、GPS天线、终端均安装在支架上；所述电场平板天线用于探测雷电发生时的电场信号，所述麦克风阵列由若干个对称平均分布在绕所述支架一定距离的平面圆形阵列上的麦克风组成；所述终端包括调理电路、单稳态触发电路、与门电路、电源控制器模块、蓄电池和通信记录单元，所述调理电路由放大器和滤波器组成，所述通信记录单元由GPS时间模块、中央处理模块、3G通信模块和存储模块组成，所述电场平板天线经过调理电路、单稳态触发电路与各个与门电路的一个输入端连接，所述各个麦克风阵列分别经过调理电路、单稳态触发电路与对应一路与门电路的另一个输入端连接，各个与门电路的输出端均连接到中央处理模块，所述GPS天线通过GPS时间模块与中央处理模块连接，所述太阳能电池板和蓄电池分别通过电源控制器模块与中央处理模块连接，所述3G通信模块和存储模块分别与中央处理模块连接；
所述雷暴日自动记录装置通过3G通信模块与3G网络通信，同时，所述远程服务器通过INTERNET网络连接到3G网络，用于接收当前各个雷暴日自动记录装置上传的雷暴数据、并调用及查看保存在所述雷暴日自动记录装置中的历史数据。
2.如权利要求1所述的应用于气象台站的雷暴日自动记录系统，其特征在于：所述雷暴日自动记录装置根据组网方案架设于各个气象台站的观测点，且各个雷暴日自动记录装置均设定唯一的识别码。
3.如权利要求1所述的应用于气象台站的雷暴日自动记录系统，其特征在于：所述麦克风阵列由8个频段均为15Hz～20kHz的麦克风组成，1-8#麦克风对称平均分布在绕所述支架半径0.5m的平面圆形阵列远端部。
4.如权利要求3所述的应用于气象台站的雷暴日自动记录系统，其特征在于：所述1-8#麦克风按顺时针排列，1#麦克风位于正对北向、2#麦克风正对东北向、3#麦克风正对东向、4#麦克风正对东南向、5#麦克风正对南向、6#麦克风正对西南向、7#麦克风正对西向、8#麦克风正对西北向。
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20141001 Termination date: 20201231 |