区域高分辨率闪电辐射源定位系统技术方案

本发明专利技术是一种区域高分辨率闪电辐射源定位系统，至少包括五个闪电定位监测站点，所述的站点内设有闪电接收天线、高速数据采集与处理模块、GPS授时模块、无线通信模块和供电模块。所述站点通过分段触发模式捕获宽带闪电瞬态电场变化率脉冲波形，GPS模块提供分段触发时的精确时间戳信息，当段数据满足设定段数时，通过DMA方式将数据存储到本地硬盘；高速数据采集与处理模块以低优先级线程准实时提取分段电场变化率波形特征参数，将特征值通过无线传输模块传输至数据终端；数据终端利用闪电电场变化率辐射脉冲到达各个站点的时间差，通过分析处理上述脉冲的软件，对闪电辐射源进行三维定位，进一步得到低空闪电辐射源放电通道。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种闪电辐射源多站同步定位系统，更具体地，涉及到短基线多站电场时变率测量仪同步测量，利用闪电电磁辐射到达各个子站电场时变率测量仪的时间差实现闪电辐射源三维定位，进一步可获得区域范围内近地面-低空闪电放电通道的高分辨率三维结构和时空发展过程。
技术介绍
闪电是自然大气中一种超强、瞬时的大电流放电现象。随着信息时代的到来，特别是微电子设备和复杂电气设备的广泛应用，城市中高架结构和高大建筑的不断增多，由雷电流电磁辐射产生的雷电电磁脉冲（Lightning Electromagnetic Pulse，LEMP）引起的间接毁伤效应变得越来越突出。早期研究主要关注大尺度长通道（1～10）km的大电流回击过程以及（1～100）km范围内的闪电电磁辐射场特征。随着闪电物理机制及闪电防护研究的深入，需进一步获取近距离闪电辐射产生的LEMP及近地面先导-回击连接的物理过程特征。近距离（km量级）闪电辐射产生的强电磁脉冲LEMP引起的间接雷电损伤通常更为巨大，而现有闪电业务监测系统的定位精度在500m的量级，尽管有少量人工触发闪电近距离电磁场观测数据，仍不能满足当前闪电近距离尤其是自然闪电近距离先导-连接放电过程及其电磁辐射场波形特征的研究。受闪电定位系统定位精度、闪电电磁场传感器灵敏度及动态范围、不同探测方法局限性等因素影响，对于近地面的先导-连接过程这种空间尺度（几十米到几百米）、持续时间短（多在毫秒以内）的放电过程的通道特性、放电机制及其辐射场特征仍缺乏深入的理解和翔实观测资料。地闪回击辐射能量主要在LF/VLF频段，甚低频长基线TOA闪电辐射源定位技术能够定位回击过程大电流事件，定位网络覆盖广，如董万胜等2009年申请的甚低频闪电定位系统专利技术专利（申请号：200910090117.2）。由于LF/VLF频段频率较低，对应测量的时间分辨率不高，其定位精度通常在几百米到数千米量级。此外，闪电放电通道远小于基线长度，垂直分辨率低，通常只给出二维定位结果，不能反映闪电的放电通道结构和时空发展过程。VHF干涉法/时差法可以再现闪电击穿过程的时空演变，如专利(申请号：200510041997.6)和(申请号：200910090115.3)，具有一定的回击过程定位能力。尽管VHF系统能够提供较高的时空分辨率，然而由于VHF电磁辐射为射线传播，对于近地面处的闪电辐射信号随着距离衰减明显，因而定位误差较大。此外，VHF定位系统的硬件成本、操作维护及海量数据的处理均要求较高。为满足近地面闪电辐射源区域范围（km量级）精确定位的需求，需要满足以下几方面要求：(1)传感器带宽应能响应先导-回击过程产生的瞬变电磁辐射，如实记录这些瞬变分量是正确评估闪电电磁环境的基础。正是随着宽带测量系统的发展，研究人员才得以逐步发现预击穿特征脉冲群、规则脉冲簇（RPB）、无序先导（chaotic leader）等特征波形。(2)时间同步精度需达到10ns的量级。对于定位区域为1km×1km的范围，为达到10m量级的定位精度，采用时差法多站同步定位法，系统的测时精度和时间分辨率至少应达到30ns。(3)高速采集系统应具有较小的“死区”时间。对于高速采集系统50Mbps的采样率，若采用较长的分段采集时间长度，一方面闪电辐射脉冲信号的占空比非常小，大量噪声本底“零数据”对研究没有价值；另一方面，连续采集实时数据吞吐量较大，对系统的缓冲能力要求较高，且一旦误触发则会无法捕获有效脉冲波形；若采用较短的分段采集时间长度，能够有效减小数据采集的“死区”时间，但对GPS授时模块提供的基准时间戳精度要求较高。(4)高速采集系统应具有一定的预处理能力，以解决高速采样速率与海量采样数据量之间的矛盾。如专利技术专利（申请号：200810044672.7）提出一种脉冲信号的数字化参数提取方法，利用FPGA内的逻辑资源和存储资源实现脉冲峰值、峰值时刻和脉冲宽度的实时提取。该方法的优点在于实时性强，当脉冲波形不规则和瞬时脉冲较多时，采用FPGA进行特征提取灵活度不够无法满足实时特征提取的需求。此外，对于人工引雷场进行引雷试验时，需要确定回击点位置及定位放电通道，实现人工引雷场小区域低空近地面人工触发闪电过程的精确定位是进行闪电辐射场测量评估及耦合效应研究的必要前提。对于某些重点区域，如油罐区、航天发射场和机场等，需要实时监控是否遭到雷击，以及确定雷击点的准确位置，为防灾减灾及排障抢修决策提供必要的信息。无论是从雷电防护实践指导的角度还是从雷电物理过程的研究需求，均需要发展新的闪电定位技术。 
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种短基线闪电辐射源定位技术，进一步的可以获取低空闪电辐射源的三维时空演变特征。该系统能够实现定位网络覆盖区域内闪电回击点的精确定位及近地面先导-连接过程放电通道三维时空演变，为闪电物理过程及近距离闪电辐射场波形特征研究提供基础。为实现上述目的，本专利技术要解决的问题有:高精度同步时标的产生，即短基线多站同步测量；高速数据流的保存及实时处理，即解决高速采集和海量数据量的矛盾。为实现上述目的，根据闪电辐射特征及探测的具体要求，设计构建了闪电辐射信号采集、存储、分析和传输系统。本专利技术的技术方案是采用一种短基线多站电场时变率测量仪同步测量系统，该系统至少包括5个以上的闪电定位监测子站点，所述的闪电定位监测子站点设有闪电电场接收天线、闪电辐射接收机、嵌入式高速数据采集与处理模块、GPS授时模块、无线通信模块和太阳能供电模块。其中，所述闪电接收天线为电小天线，其响应频带范围为VLF-VHF频段。其中，所述的电场时变率测量仪能够在宽频带内测量闪电的电场变化率波形。电场时变率测量仪的上限-3dB频率仅由天线的等效电容确定。电场时变率测量仪直接反映电场的变化，与当前先导的发展状态有关，能够更好的刻画先导-连接过程产生的瞬态电磁辐射。其中，所述闪电辐射接收机主要包括I-V变换电路和第二级放大电路，所述接收机直接和嵌入式高速数据采集与处理模块。其中，所述GPS授时模块与所述的嵌入式高速数据采集与处理模块连接，GPS授时模块完成GPS接收机提供的UTC信息的解码以及和1PPS脉冲同步，产生高精度高稳定度的50M时钟信号，为嵌入式高速数据采集与处理模块提供基准时钟；根据嵌入式高速数据采集与处理模块提供的触发采集脉冲，以及GPS授时模块FPGA构建的附加实时时钟提供秒以内的高精度时标信息。  其中，所述嵌入式高速数据采集与处理模块以分段触发采集模式将接收机接收的闪电电场时变信号数字化，同时给GPS授时模块提供触发同步脉冲，接收GPS授时模块提供的高精确时标信息将电场变化率波形存储到本地硬盘；进一步，高速数据采集与处理模块以低优先级线程进行波形特征提取，具体包括脉冲峰值、脉冲峰值绝对时标、脉冲脉宽，以及每一段数据内脉冲个数的统计，其中脉冲峰值绝对时标参考该段数据触发采集时的绝对时标；最后，将每一段波形的高精度时标信息和特征值数据打包通过无线模块发送至中心站点的计算机终端。嵌入式高速数据采集与处理模块预留有网络接口和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1. 一种短基线低空闪电辐射源定位系统，其特征在于：该系统包括至少5个闪电定位子站点和一个定位中心站点内设有闪电电场接收天线、闪电辐射接收机、嵌入式高速数据采集与处理模块、GPS授时模块、无线通信模块和供电模块；所述闪电定位站点通过分段触发模式捕获宽带闪电瞬态电场变化率脉冲波形分段波形数据直接写入到SDRAM构建的高速缓存，当分段数据采满时将触发自动存储通过DMA方式存到储在本地硬盘；GPS授时模块提供分段触发时的精确时间戳信息；高速嵌入式数据采集与处理模块以低优先级线程准实时提取分段电场变化率波形特征数据；通过无线模块将特征值和站点状态参数传输至中心站点的数据终端；在中心站点通过计算机软件分析、处理实现闪电辐射源的三维定位。
2.根据权利要求1所述的短基线低空闪电辐射源定位系统的定位子站点，其特征在于，所述的闪电辐射接收机包括依次连接闪电电场接收天线、I-V变换电路、第二级放大电路、嵌入式高速数据采集与处理模块；所述的闪电辐射接收机包括I-V变换电路和第二级放大电路，直接和嵌入式高速数据采集与处理模块连接。
3.根据权利要求2所述的闪电辐射接收机，其特征在于，经I-V变换电路后采用两种不同增益的第二级放大电路，保证先导和回击过程闪电电场变化率脉冲完整波形的同时有效获取。
4.根据权利要求1所述的短基线低空闪电辐射源定位系统，其特征在于，所述GPS接收机由FPGA完成UTC信息的解码提取以及和1PPS脉冲的同步，在FPGA内部构建附加实时时钟...

【专利技术属性】
技术研发人员：石立华，邱实，江志东，周璧华，李炎新，高成，
申请(专利权)人：中国人民解放军理工大学，
类型：发明
国别省市：