[發明專利]區域高分辨率閃電輻射源定位系統

無效

• 申請號: 201410063567.3
• 申請日: 2014-02-25
• 公開（公告）號: CN103809156A
• 公開（公告）日: 2014-05-21
• 發明（設計）人: 石立華;邱實;江志東;周璧華;李炎新;高成
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍理工大學
• 主分類號: G01S5/16
• 分類號: G01S5/16
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種閃電輻射源多站同步定位系統，更具體地，涉及到短基線多站電場時變率測量儀同步測量，利用閃電電磁輻射到達各個子站電場時變率測量儀的時間差實現閃電輻射源三維定位，進一步可獲得區域范圍內近地面-低空閃電放電通道的高分辨率三維結構和時空發展過程。

背景技術

閃電是自然大氣中一種超強、瞬時的大電流放電現象。隨著信息時代的到來，特別是微電子設備和復雜電氣設備的廣泛應用，城市中高架結構和高大建筑的不斷增多，由雷電流電磁輻射產生的雷電電磁脈沖（Lightning?Electromagnetic?Pulse，LEMP）引起的間接毀傷效應變得越來越突出。

早期研究主要關注大尺度長通道（1～10）km的大電流回擊過程以及（1～100）km范圍內的閃電電磁輻射場特征。隨著閃電物理機制及閃電防護研究的深入，需進一步獲取近距離閃電輻射產生的LEMP及近地面先導-回擊連接的物理過程特征。近距離（km量級）閃電輻射產生的強電磁脈沖LEMP引起的間接雷電損傷通常更為巨大，而現有閃電業務監測系統的定位精度在500m的量級，盡管有少量人工觸發閃電近距離電磁場觀測數據，仍不能滿足當前閃電近距離尤其是自然閃電近距離先導-連接放電過程及其電磁輻射場波形特征的研究。受閃電定位系統定位精度、閃電電磁場傳感器靈敏度及動態范圍、不同探測方法局限性等因素影響，對于近地面的先導-連接過程這種空間尺度（幾十米到幾百米）、持續時間短（多在毫秒以內）的放電過程的通道特性、放電機制及其輻射場特征仍缺乏深入的理解和翔實觀測資料。

地閃回擊輻射能量主要在LF/VLF頻段，甚低頻長基線TOA閃電輻射源定位技術能夠定位回擊過程大電流事件，定位網絡覆蓋廣，如董萬勝等2009年申請的甚低頻閃電定位系統發明專利（申請號：200910090117.2）。由于LF/VLF頻段頻率較低，對應測量的時間分辨率不高，其定位精度通常在幾百米到數千米量級。此外，閃電放電通道遠小于基線長度，垂直分辨率低，通常只給出二維定位結果，不能反映閃電的放電通道結構和時空發展過程。VHF干涉法/時差法可以再現閃電擊穿過程的時空演變，如專利(申請號：200510041997.6)和(申請號：200910090115.3)，具有一定的回擊過程定位能力。盡管VHF系統能夠提供較高的時空分辨率，然而由于VHF電磁輻射為射線傳播，對于近地面處的閃電輻射信號隨著距離衰減明顯，因而定位誤差較大。此外，VHF定位系統的硬件成本、操作維護及海量數據的處理均要求較高。

為滿足近地面閃電輻射源區域范圍（km量級）精確定位的需求，需要滿足以下幾方面要求：

(1)傳感器帶寬應能響應先導-回擊過程產生的瞬變電磁輻射，如實記錄這些瞬變分量是正確評估閃電電磁環境的基礎。正是隨著寬帶測量系統的發展，研究人員才得以逐步發現預擊穿特征脈沖群、規則脈沖簇（RPB）、無序先導（chaotic?leader）等特征波形。

(2)時間同步精度需達到10ns的量級。對于定位區域為1km×1km的范圍，為達到10m量級的定位精度，采用時差法多站同步定位法，系統的測時精度和時間分辨率至少應達到30ns。

(3)高速采集系統應具有較小的“死區”時間。對于高速采集系統50Mbps的采樣率，若采用較長的分段采集時間長度，一方面閃電輻射脈沖信號的占空比非常小，大量噪聲本底“零數據”對研究沒有價值；另一方面，連續采集實時數據吞吐量較大，對系統的緩沖能力要求較高，且一旦誤觸發則會無法捕獲有效脈沖波形；若采用較短的分段采集時間長度，能夠有效減小數據采集的“死區”時間，但對GPS授時模塊提供的基準時間戳精度要求較高。

(4)高速采集系統應具有一定的預處理能力，以解決高速采樣速率與海量采樣數據量之間的矛盾。如發明專利（申請號：200810044672.7）提出一種脈沖信號的數字化參數提取方法，利用FPGA內的邏輯資源和存儲資源實現脈沖峰值、峰值時刻和脈沖寬度的實時提取。該方法的優點在于實時性強，當脈沖波形不規則和瞬時脈沖較多時，采用FPGA進行特征提取靈活度不夠無法滿足實時特征提取的需求。

此外，對于人工引雷場進行引雷試驗時，需要確定回擊點位置及定位放電通道，實現人工引雷場小區域低空近地面人工觸發閃電過程的精確定位是進行閃電輻射場測量評估及耦合效應研究的必要前提。對于某些重點區域，如油罐區、航天發射場和機場等，需要實時監控是否遭到雷擊，以及確定雷擊點的準確位置，為防災減災及排障搶修決策提供必要的信息。無論是從雷電防護實踐指導的角度還是從雷電物理過程的研究需求，均需要發展新的閃電定位技術。?