[發(fā)明專利]閃電探測定位系統(tǒng)及方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110158811.0
• 申請日: 2011-06-13
• 公開（公告）號: CN102338830A
• 公開（公告）日: 2012-02-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孟青;張陽;呂偉濤;張義軍
• 申請（專利權(quán)）人: 中國氣象科學(xué)研究院
• 主分類號: G01R29/08
• 分類號: G01R29/08
• 代理公司: 北京路浩知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11002
• 代理人: 王瑩

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及氣象觀測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種閃電探測定位系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

閃電是我國最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，由于其具有大電流、強(qiáng)電磁輻射等特性，常常引起森林火災(zāi)、油庫爆炸、供電中斷、通訊故障、設(shè)備破壞等事故，也容易造成人員傷亡。據(jù)保守估計，我國每年因雷災(zāi)造成的人員傷亡上千人，直接經(jīng)濟(jì)損失超過數(shù)億元，而由此造成的間接經(jīng)濟(jì)損失和影響難以估計，雷電災(zāi)害已經(jīng)波及到各行各業(yè)和生活的方方面面。遭雷擊方式也從閃電直擊、過電壓波沿線傳輸擴(kuò)展到閃電輻射電磁場的三維空間入侵。由于雷電成災(zāi)迅速，而給其研究、預(yù)報和防治帶來了極大的困難，因此發(fā)展閃電探測技術(shù)和預(yù)警預(yù)報方法是當(dāng)前非常迫切的任務(wù)。目前國內(nèi)外的一些單站閃電探測系統(tǒng)功能均比較單一，不能滿足社會的需要。迄今為止，國內(nèi)外還沒有同時可以進(jìn)行閃電定位和電場變化測量的商業(yè)化產(chǎn)品，也沒有適合業(yè)務(wù)運(yùn)行的電場變化測量設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容

(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：如何提供一種可進(jìn)行閃電波形采集和閃電回?fù)舳ㄎ坏亩喙δ軉握鹃W電探測定位的閃電探測定位系統(tǒng)及方法。

(二)技術(shù)方案

為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種閃電探測定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：天線單元，用于探測閃電發(fā)生時的電磁場變化信號，探測GPS衛(wèi)星信號，并將所述電磁場變化信號以及所述GPS衛(wèi)星信號發(fā)送至接收機(jī)單元；接收機(jī)單元，與所述天線單元相連，用于接收所述電磁場變化信號以及所述GPS衛(wèi)星信號；波形特征提取處理單元，與所述接收機(jī)單元相連，用于實時提取電磁場變化信號波形特征參數(shù)，對其進(jìn)行分析處理，獲得云地閃鑒別結(jié)果以及地閃定位結(jié)果；測控單元，與所述波形特征提取處理單元以及接收機(jī)單元均相連，用于實時采集并存儲所述電磁場變化信號波形，標(biāo)記采集所述閃電波形的時間，實時顯示地閃在地理信息系統(tǒng)中的位置。

其中，所述天線單元進(jìn)一步包括：電場快變化天線，用于探測閃電發(fā)生時的電場變化信號；正交磁場天線，用于探測閃電發(fā)生時的磁場變化信號；GPS天線，用于探測GPS衛(wèi)星信號。

其中，所述電場快變化天線為平板電容天線，所述正交磁場天線為兩個具有相同的環(huán)截面積和線圈匝數(shù)且垂直正交的環(huán)形導(dǎo)線圈。

其中，所述接收機(jī)單元進(jìn)一步包括：電磁變化接收機(jī)，與所述電場快變化天線以及所述正交磁場天線相連，接收所述電場變化信號以及磁場變化信號，并對其進(jìn)行積分、以及濾波放大處理；GPS接收機(jī)，與所述GPS天線相連，接收所述GPS衛(wèi)星信號。

其中，所述波形特征提取處理單元為現(xiàn)場可編程門陣列FPGA。

其中，所述測控單元進(jìn)一步包括：數(shù)據(jù)采集卡，與所述接收機(jī)單元相連，用于實時采集所述電磁場變化信號波形；測量處理子單元，與所述數(shù)據(jù)采集卡相連，用于控制所述數(shù)據(jù)采集卡的采樣長度、采樣率、觸發(fā)方式、觸發(fā)閾值、存儲路徑、以及存儲方式，以及顯示所述信號波形；定位顯示子單元，與所述波形特征提取處理單元相連，用于顯示所述地閃在地理信息系統(tǒng)中的位置。

其中，該系統(tǒng)還包括：自檢校準(zhǔn)單元，與所述天線單元以及接收機(jī)單元相連，用于為所述天線單元提供標(biāo)準(zhǔn)信號，以及為系統(tǒng)給出校正系數(shù)；供電單元，與所述接收機(jī)單元、波形特征提取處理單元、測控單元以及自檢校準(zhǔn)單元相連，為上述各單元供電；防護(hù)體單元，罩在所述天線單元、接收機(jī)單元、波形特征提取處理單元、以及自校準(zhǔn)單元外，為上述各單元提供支撐和環(huán)境防護(hù)。

本發(fā)明還提供了一種基于上述系統(tǒng)的閃電探測定位方法，該方法包括步驟：

S1.天線單元將探測到的閃電發(fā)生時的電磁場變化信號以及GPS衛(wèi)星信號發(fā)送至接收機(jī)單元；

S2.判斷閃電發(fā)生時電磁場變化量是否超過設(shè)定的觸發(fā)閾值，若是，則執(zhí)行步驟S3，否則，等待；

S3.波形特征提取處理單元采集電磁場變化信號波形特征參數(shù)，對其進(jìn)行分析處理，獲得云地閃鑒別結(jié)果以及地閃定位結(jié)果；測控單元實時采集并保存所述電磁場變化信號波形，標(biāo)記采集所述電磁場變化信號波形的時間，并顯示地閃在地理信息系統(tǒng)中的位置。

其中，步驟S3中，所述波形特征提取處理單元鑒別云地閃的方法為：

若電場變化信號同時滿足以下條件中的三個，則判定閃電為地閃：

(a)0.8μs＜電場10％-90％峰值持續(xù)時間＜8μs；

(b)電場峰值＞電場起始值的兩倍；

(c)電場峰值＞0.5V；

(d)下降沿過零時間＞10μs；

若電場變化信號同時滿足以下三個條件，則判定閃電為運(yùn)云閃：

(e)脈沖寬度＜8μs；