[發明專利]一種VLF/LF頻段地閃雷電探測定位系統

有效

• 申請號: 201310025433.8
• 申請日: 2013-01-23
• 公開（公告）號: CN103116083A
• 公開（公告）日: 2013-05-22
• 發明（設計）人: 馬洪;趙文光;羅亦鳴;陳杰鋒;姚鎮;何圍
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01R29/08
• 分類號: G01R29/08
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 曹葆青

技術領域

本發明屬于地閃雷電監測預警技術研究領域，涉及一種甚低頻/低頻(VLF/LF)頻段地閃雷電探測定位系統。

背景技術

雷電定位系統起源于20世紀70年代末，美國基于現代雷電遙測定位技術實現了大規模的雷電定位系統(LLS，Lightning?Location?System)建設，并將分布于各州的雷電定位系統聯網形成了目前美國的國家雷電監測網(NLDN，National?Lightning?Detection?Network)，實現了全面、完整地監測覆蓋區域雷電活動情況。20世紀80年代中期，法國Vaisala公司研制出SAFIR3000V2地閃雷電定位系統，并在多個國家和地區投入使用。

我國也于20世紀80年代末成功研制出地閃雷電定位系統，并于上世紀90年代末開始在全國各地建設地閃雷電定位監測網，經過20多年的發展，目前我國的監測網系統已覆蓋了全國大部分區域，為國家的電網傳輸、氣象監測等部門提供了大量實用數據。

發明內容

本發明的目的在于設計實現一種VLF/LF頻段地閃雷電探測定位系統，本系統可對地閃雷電輻射源產生沿地表面傳播的地閃雷電信號波達方向(DOA)進行精確估計。

本發明提供的一種VLF/LF頻段地閃雷電探測定位系統，其特征在于，該系統包括一個中心處理站和多個位于不同位置的探測處理子站；不同的探測處理子站以及中心處理站都通過無線或有線方式接入廣域網形成一個聯合的系統；

各個探測處理子站用于完成GPS/北斗衛星授時和時鐘同步、系統通道群時延計算、地閃雷電信號的接收和同步采集、通道幅度不一致性校準、地閃雷電檢測和信號波達方向估計，然后將獲得的實時地閃雷電波形數據、測向角度信息、系統狀態參量信息和時間標記信息進行組幀后，構成地閃雷電信號波形數據文件，通過廣域網將該數據文件上傳到中心處理站；

中心處理站通過廣域網實現對各個探測處理子站工作狀態的遠程監控；中心處理站還用于接收各個探測處理子站上傳的數據文件，并根據同一時段各個探測處理子站的地閃雷電信號波形數據文件計算同一個地閃雷電信號到達任意兩個探測處理子站的時間差，再使用各個探測處理子站對應于同一地閃雷電信號的波達方向信息和到達時間差信息計算出地閃雷電輻射源的平面坐標位置。

本發明可以對地閃雷電輻射源產生沿地表面傳播的地閃雷電信號波達方向進行高精度、超分辨率的觀測；極大地減輕了對接收機通道幅度特性的一致性要求；解決了由于不同探測處理子站系統通道群時延不同而帶來的TDOA估計誤差問題；本發明還可以長時間對VLF/LF頻段地閃雷電波形數據進行連續記錄，為VLF/LF頻段地閃雷電信號特征分析提供了詳實的基礎數據。具體而言，本發明系統具有以下特點：

(1)構成一個完整的VLF/LF頻段地閃雷電探測定位系統，可實現對VLF/LF頻段地閃雷電信號的連續、不間斷觀測和定位。記錄連續地閃雷電信號的時間可長達數小時而不丟失數據；

(2)系統硬件復雜度低，建網成本和系統運行費用低，可擴展性強；

(3)探測處理子站采用非相干能量檢測，提高了對地閃雷電信號的檢測效率；

(4)探測處理子站能對地閃雷電信號來波方向進行高精度、超分辨率的觀測，同時將地閃雷電信號波形數據文件上傳至中心處理站，然后在中心處理站直接解算地閃雷電信號到達任意兩個探測處理子站的時間差(TDOA)，不需要探測處理子站提供地閃雷電信號的到達時間(TOA)信息；

(5)探測處理子站對系統通道群時延進行有效估計，并將系統通道群時延信息加入地閃雷電信號波形數據文件中上傳至中心處理站，中心處理站在進行TDOA計算時，利用各個探測處理子站的系統通道群時延信息，對用于進行TDOA計算的地閃雷電波形數據的時間標記信息進行補償，從而可以最大程度地減少由于不同探測處理子站系統通道群時延不同而帶來的定位誤差；

(6)中心處理站采用組合DOA和TDOA信息來計算地閃雷電輻射源的二維平面坐標；也可以只用TDOA信息計算地閃雷電輻射源的位置，而使用DOA信息來判別和剔除虛假定位點。

附圖說明

圖1是本發明所指的VLF/LF頻段地閃雷電探測定位系統的整體架構；

圖2是探測處理子站功能單元框圖；

圖3是VLF/LF頻段超寬帶接收天線結構圖；

圖4是系統通道群時延計算過程；

圖5是中心處理站功能單元框圖；

圖6是探測處理子站數字處理子系統功能單元框圖；