[發(fā)明專利]一種VHF頻段云閃雷電探測定位系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110204820.9
• 申請日: 2011-07-21
• 公開（公告）號: CN102288838A
• 公開（公告）日: 2011-12-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 馬洪;趙文光
• 申請（專利權(quán)）人: 華中科技大學(xué)
• 主分類號: G01R29/08
• 分類號: G01R29/08
• 代理公司: 華中科技大學(xué)專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于雷電監(jiān)測預(yù)警技術(shù)研究領(lǐng)域，涉及一種VHF頻段云閃雷電探測定位系統(tǒng)。

背景技術(shù)

隨著相位干涉儀技術(shù)的發(fā)展和逐步成熟，以及雷電氣象學(xué)和雷電災(zāi)害探測預(yù)報的實際應(yīng)用需要，二十世紀(jì)80年代中期，法國Vaisala公司推出了工作于VHF頻段的雷電探測定位系統(tǒng)——SAFIR系統(tǒng)，并逐步在世界多個國家和地區(qū)投入運用，我國也于本世紀(jì)初引進三套SAFIR3000系統(tǒng)并分別部署于北京、上海和武漢三地，該系統(tǒng)能夠自動、連續(xù)、實時地監(jiān)測云閃雷電的發(fā)生情況。二十世紀(jì)90年代以來，隨著GPS技術(shù)和信號處理技術(shù)的發(fā)展，美國研制出采用時差法和磁定向法相結(jié)合的LDAR系統(tǒng)(Lightning?Detection?and?Ranging)并應(yīng)用于肯尼迪航天中心，為航天發(fā)射過程中的雷電監(jiān)測和預(yù)報提供了一種技術(shù)手段。此外，美國Los?Alamos國家實驗室于1997年在FORTE衛(wèi)星上裝載了VHF頻段接收機和光學(xué)探測系統(tǒng)OLS，通過對電信號和光信號的接收與分析來獲得從衛(wèi)星上觀測和識別雷電的能力。

我國于二十世紀(jì)80年代末期開始雷電探測定位技術(shù)的研究，從引進消化到自主開發(fā)，形成了一定技術(shù)能力。董萬勝等人利用兩個天線構(gòu)成寬帶干涉儀來對閃電進行觀測，實現(xiàn)了雷電發(fā)生位置、輻射頻譜、電場變化等多個觀測量的記錄。郄秀書等人研究了基于短基線到達時間(TOA)的閃電定位技術(shù)，分析了閃電發(fā)生初始階段和活躍階段的通道發(fā)展情況以及輻射源的定位情況。目前，中國華云公司研制的針對LF/VLF頻段地閃雷電探測定位的系統(tǒng)——LD-II型雷電定位系統(tǒng)、中科院空間科學(xué)中心研制的“時差測向混合高精度系統(tǒng)”，以及國家電力部門針對高壓輸電網(wǎng)雷擊探測的地閃雷電定位系統(tǒng)已在國內(nèi)投入使用。

到目前為止，國內(nèi)不管是從寬帶干涉儀還是窄帶干涉儀基礎(chǔ)上發(fā)展起來的雷電探測定位系統(tǒng)，均沒有針對大數(shù)據(jù)量云閃雷電信號采集、檢測、信號到達方向估計、信號到達時間差估計等關(guān)鍵環(huán)節(jié)與成套系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)方面的專利。同時，目前我國真正掌握并投入實際應(yīng)用的雷電探測定位系統(tǒng)，全部是針對低頻/甚低頻地閃雷電的，還沒有出現(xiàn)專門針對云閃雷電的觀測定位系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于設(shè)計實現(xiàn)一種VHF頻段云閃雷電探測定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對同時發(fā)生的多個雷電輻射源或同一雷電輻射源經(jīng)不同傳播路徑到達探測子站的雷電輻射信號的入射方向進行精確估計(DOA估計)，并在中心處理站計算任意兩個探測處理子站之間的雷電信號的到達時間差(TDOA估計)，然后使用DOA和TDOA信息確定云閃雷電輻射源的空間位置。

本發(fā)明提供的一種VHF頻段云閃雷電探測定位系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括一個中心處理站和多個放置在不同位置的探測處理子站，探測處理子站與中心處理站通過無線或有線方式接入公眾廣域網(wǎng)；通過廣域網(wǎng)，一方面探測處理子站將獲得的云閃雷電探測數(shù)據(jù)上傳至中心處理站，另一方面實現(xiàn)中心處理站對各個探測處理子站工作狀態(tài)的遠程監(jiān)控；

每個探測處理子站完成GPS/北斗衛(wèi)星授時和時鐘同步、VHF頻段雷電信號的陣列接收、采集、信號過門限檢測和信號二維波達方向TDOA估計，然后將獲得的實時雷電波形數(shù)據(jù)、協(xié)方差矩陣數(shù)據(jù)、陣列校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和時標(biāo)數(shù)據(jù)進行組幀與本地緩存，最后通過廣域網(wǎng)將上述各類數(shù)據(jù)上傳到中心處理站；

中心處理站接收到各個探測處理子站上傳的數(shù)據(jù)后，首先按照數(shù)據(jù)類型存入云閃雷電數(shù)據(jù)庫中，然后再從該數(shù)據(jù)庫中取出同一時間段內(nèi)對應(yīng)于各個探測處理子站的雷電波形數(shù)據(jù)并計算同一個雷電脈沖信號到達任意兩個探測處理子站的時間差，接著利用各個探測處理子站對應(yīng)于同一雷電脈沖信號的DOA信息和TDOA信息來建立DOA/TDOA組合定位方程，最終解算出發(fā)生云閃雷電的空間點坐標(biāo)。

本發(fā)明系統(tǒng)利用VHF頻段陣列天線和射頻陣列接收機、FPGA/DSP構(gòu)成的數(shù)字信號處理硬件平臺完成VHF頻段雷電信號接收、處理、傳輸與控制。系統(tǒng)中使用先進的空間譜估計技術(shù)快速精確測量雷電信號到達各個探測處理子站的方位角和俯仰角(DOA估計)，可實現(xiàn)對同時發(fā)生的多個雷電輻射源或同一雷電輻射源經(jīng)不同傳播路徑到達探測子站的信號入射方向的精確估計，這是與現(xiàn)有的各種雷電測向技術(shù)完全不同的。此外，系統(tǒng)還采用GPS/北斗衛(wèi)星高精度授時技術(shù)、PCI-DMA總線技術(shù)與FTP網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)將帶有高精度時間標(biāo)記的雷電波形和前述求得的雷電信號到達方向數(shù)據(jù)上傳至中心處理站，然后在中心處理站計算任意兩個探測處理子站之間的雷電信號到達時間差(TDOA估計)，并基于DOA和TDOA信息實現(xiàn)對云閃雷電輻射源的空間定位。