甚低频全闪电定位系统技术方案

本实用新型专利技术是一种甚低频全闪电定位系统，该系统包括至少四个闪电定位监测站点，所述闪电定位监测站点内设有甚低频闪电辐射接收机、计算机、ＧＰＳ时钟模块，所述站点连续无间隔捕获闪电脉冲波形及其到达绝对时间，通过互联网实现各站点数据的传输，利用闪电电场变化辐射脉冲到达各站点的时间差，通过用于分析、处理所述脉冲的计算机软件，对闪电放电事件进行二维、三维定位，并识别放电类型。在上述硬件与软件的配合下，该系统可用于确定区域内发生闪电的数量、放电类型，以及闪电参数的统计特征，并能对雷电活动进行预警。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及气象观测设备，具体涉及甚低频全闪电定位系统。
技术介绍
闪电是严重的自然灾害之一，可引起森林和油库火灾、造成供电及通讯信息系统 故障或损坏，对航天航空、矿山及一些重要而敏感的高技术装备等具有重大威胁。八十年代 以后，闪电引起的危害显著增加，特别是与高新技术关系密切的领域，如航空航天、国防、通 讯、电力、计算机、电子工业等由于广泛应用对闪电电磁干扰极为敏感的大规模及超大规模 集成电路致使遭雷击的几率大大增加；据保守估计，我国每年因雷害造成的直接经济损失 超过数亿元，而由此造成的间接经济损失和影响难以估计，由于其成灾迅速而给其研究、预 报和防治带来了极大的困难。现有技术中多注意地闪回击探测，还没有有效的可用于云内 闪电活动探测的技术和闪电放电事件识别方法。而闪电探测和定位系统能对雷电活动进行预警，从而减小闪电所导致的有害影 响。由于闪电定位系统能够不间断地监测“地闪”和“云闪”时空演变，所以这些系统也可 用于确定一个指定区域内发生闪电的数量，以及放电参数的统计特征，因此发展闪电探测 技术和预警预报方法是当前非常迫切的任务。
技术实现思路
本技术的目的在于克服现有技术中的缺陷，设计一种甚低频全闪电定位系 统，该系统通过软件设计的浮动触发电平，连续捕获记录闪电脉冲波形而无死时间。该系统 即可用于确定一个指定区域内发生闪电的数量，以及放电参数的统计特征，用于雷电活动 进行预警，也可用于闪电机理的科学研究。也可用于闪电机理的科学研究。为实现上述目的，本技术的技术方案是采用一种甚低频全闪电定位系统，该 系统包括至少四个闪电定位监测站点，所述闪电定位监测站点内设有甚低频闪电辐射接收 机、GPS接收机、计算机。所述数据采集卡设置在所述计算机内；所述甚低频闪电辐射接收 机与所述计算机相连，用于探测闪电产生的瞬态电场变化，并将闪电瞬态电场变化信号传 送给所述计算机；所述GPS接收机与所述计算机相连，用于采样频率校正，输出准确的频率 信号，同时也向系统提供精确的时间基准。其中，所述甚低频闪电辐射接收机包括依次连接的接收天线、积分放大器、滤波 器、驱动输出电路，模/数转换电路及记录设备。其中，所述计算机内设有所述数据采集卡及数据处理软件。其中，所述GPS接收机(模块)设置与所述甚低频闪电辐射接收机在所述计算机 内。所述GPS接收机(模块)用于采样频率校正，输出准确的频率信号，同时也向系统提供 精确的时间基准。其中，所述甚低频闪电辐射接收机设置在室外的玻璃钢防护罩内。本技术的优点和有益效果在于在上述硬件与软件的配合下，该系统可用于 确定一个指定区域内发生闪电的数量、位置、闪电放电类型、以及相应放电参数的统计特 征，并能对雷电活动进行预警。附图说明图1是本技术甚低频全闪电定位系统框图；图2是本技术甚低频全闪电定位系统中甚低频闪电辐射接收机系统框图；图3是本技术甚低频全闪电定位系统中甚低频闪电辐射接收机的防护罩结 构示意图；图4是本技术甚低频全闪电定位系统中存储程序框图；图5是本技术甚低频全闪电定位系统中数据采集方式原理示意图。具体实施方式以下结合附图和实施例，对本技术的具体实施方式作进一步描述。以下实施 例仅用于更加清楚地说明本技术的技术方案，而不能以此来限制本技术的保护范围。如附图1至图5所示，本技术具体实施的技术方案是如附图1所示一种甚低频全闪电定位系统，该系统包括至少四个闪电定位监测站 点，所述闪电定位监测站点内设有甚低频闪电辐射接收机(图中的探头)、计算机、GPS接 收机。所述站点利用GPS接收机提供的精确时钟，得到闪电电场变化脉冲到达各站点的时 间，并记录闪电快电场变化波形，通过计算机对所获数据进行初步的处理，通过互联网将数 据实时发送到用于分析、处理所述脉冲的计算机，通过专用软件对闪电放电事件进行定位、 放电类型识别、统计处理多种放电参数。如附图2所示该系统由甚低频闪电辐射接收机(快电场变化仪)，高精度GPS同 步时钟，以及计算机(闪电波形采集分析处理设备)构成。快电场变化传感器运行在 200Hz 3MHz频段，探测闪电产生的瞬态电场变化。GPS信号用于频率基准校正，保证更高 准确度的频率信号输出，同时也向系统提供精确的时间基准。数据采集系统采用计算机+ 高速数字化仪，以lOMsps的采样速率数字化电场变化信号。采用浮动电平触发设置和闪电 辐射脉冲波形无间隔连续捕获工作方式，即将触发系统设计成完全基于软件的、可灵活执 行不同触发算法的模式，通过连续监视环境背景中的低频非闪电干扰信号，实时自动调整 触发电平，实现适用于浮动背景的双极性触发模式。将信号值连续地与预先设定的触发阈 值比较，当一个采样点被探测到大于这个阈值时，有一定前置触发段和后置触发段的波形 被捕获。随后根据闪电甚低频辐射波形特点，对超过触发阈值的数据片断进行预处理，处理 后的电场变化波形数据以及相应触发记录开始时刻标记的时间信息存储在本地磁盘，同时 通过互联网实时传输到闪电定位、分析处理的计算机。软件采用多线程安全变量和安全队 列技术将数据采集、触发预处理、存储任务分给几个独立的线程同时执行，实现对闪电甚低 频辐射脉冲波形的连续捕获而没有任何死时间。整个采集记录系统由计算机统一控制实现 无人职守自动运行。本技术中的三维时差法闪电探测系统是利用GPS精确同步测量多站闪电快 电场变化脉冲波形，实现对云闪和地闪的三维定位及实时监测，其GPS接收机的测时精度 决定整个系统的定位精度。本系统中的GPS接收机采用了低相噪锁相环技术和大规模集成电路设计，内置高稳定度恒温晶振OCXO和高品质、高精度授时型GPS接收机，采用先进的 GPS频率测控技术，对晶体振荡器的输出频率进行精密测量与调节，采用智能学习算法，在 GPS驯服晶振的过程中能够不断“学习”晶振的漂移等特性，并将这些参数存入板载EEPROM 存储器中。输出的Ipps信号是GPS驯服晶振输出IOMHz信号，信号经过10，000，000次分 频后得到的，相位与载波信号严格一致，且不受GPS秒脉冲短时间随机跳变带来的影响，相 当于UTC时间基准的“复现”。当GPS出现异常或不可用时，自动切换到保持模式，利用高效 的智能保持算法，依靠内置高稳晶振继续提供高可靠性的时间和频率信号输出，使其输出 频率精确同步在GPS系统上，提供高精度的时间频率基准信号。为了能监测更大区域内闪电甚低频辐射，本技术研制了 “宽带高增益闪电低 中频辐射接收机”，采用高集成精密放大器配以特殊的电路结构使其具有很高的输入阻抗， 并采用有源滤波滤除工频干扰且保证了系统的增益带宽。如附图3所示由于系统有比较高的带宽增益，为防止暴雨对系统的影响及带电雨 滴造成的频繁误触发，系统采用具有很宽波透率的玻璃钢防护罩结构。数据采集分析处理系统在本技术中数据采集分析处理系统主要由计算机、高速数据采集卡构成，前 述的GPS接收机为其提供绝对时间基准，其中IOMHz信号作为采集卡采样的外部时钟。利 用电源(UPS)为整个系统提供稳定的电源。采集卡本发技术采用的数据采集卡为数据采样速率高达30MS/s ；具有12位AD转换 精度；信道内建32K先入先出法(FIFO)内存，板卡数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种甚低频金闪电定位系统，其特征在于，该系统包括至少四个闪电定位监测站点，所述闪电定位监测站点内设有甚低频闪电辐射接收机、ＧＰＳ接收机、数据采集卡和计算机，所述数据采集卡设置在所述计算机内；所述甚低频闪电辐射接收机与所述计算机相连，用于探测闪电产生的瞬态电场变化，并将闪电瞬态电场变化信号传送给所述计算机；所述ＧＰＳ接收机与所述计算机相连，用于采样频率校正，输出准确的频率信号，同时也向系统提供精确的时间基准。

【技术特征摘要】
1.一种甚低频金闪电定位系统，其特征在于，该系统包括至少四个闪电定位监测站 点，所述闪电定位监测站点内设有甚低频闪电辐射接收机、GPS接收机、数据采集卡和计算 机，所述数据采集卡设置在所述计算机内；所述甚低频闪电辐射接收机与所述计算机相连， 用于探测闪电产生的瞬态电场变化，并将闪电瞬态电场变化信号传送给所述计算机；所述 GPS接收机与所述计算机相连，用于采样频率校正，输出准确的频率信号，同时也向...

【专利技术属性】
技术研发人员：张义军，董万胜，王涛，刘恒毅，
申请(专利权)人：中国气象科学研究院，
类型：实用新型
国别省市：11[中国|北京]