专利名称：短基线时差法超高频闪电辐射源探测定位系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种短基线时差法(TOA)超高频(VHF)闪电辐射源探测定位系统，利用高速数据采集设备同步记录闪电放电过程中产生的大量高频和甚高频电磁脉冲在四个天线的电场波形，然后通过微机对记录到的多通道闪电放电过程电场数据进行处理，实时地计算出闪电辐射源的方位及其变化，可以较为直观且详细地了解闪电发生发展的物理过程，加深对闪电物理机制的认识。本系统可广泛地应用于大气雷暴电研究、气象、林业、航空航天、电力供电等领域。
背景技术：
现代闪电定位系统的起源，要追溯到1796年美国人克瑞德(Krider.E.P)等人对原双阴极示波器闪电探测仪所做的成功改进。在此基础上研制出的智能化磁方向闪电定位系统，采用宽波段接收闪电辐射的VLF信号，克服了原来窄波信号带来的偏振误差、电离层反射等不利影响，使测角误差在1度以内。20世纪80年代初又增加了云地闪波鉴别技术，使云地闪电探测效率达到90％以上。80年代中期和末期，几乎世界上所有发达国家和地区都布有这种设备组成的雷电监测定位网。与此同时，在20世纪80年代中期，美国大气科学研究公司又研制出一种时差法雷电定位系统，1986年产品形成，并在美国东部布网，在日本、巴西、澳大利亚等国家和地区建网。进入20世纪90年代，在原有的测向系统的基础上增加了时差功能，称为时差测向混合系统；并在此基础上，采用DSP技术增加了数字波形处理技术，并以网络的形式高速率送往中心站，用工作站进行波形相关性的分析、定位处理。随后，人们又采用长基线TOA闪电辐射源定位系统。虽然长基线TOA闪电辐射源定位系统有较高的定位精度，但由于需要多站同步观测，势必增加GPS等许多观测设备，在某些多山地区观测时，地形也会造成不利的影响。
次后，人们又采用短基线TOA。短基线TOA与长基线TOA比较，短基线在雷电的定位技术方面对地形的要求低，因此在—些特定的地区有其独特的优势。
在利用短基线TOA对闪电辐射源的定位的研究中，Taylor做了大量的工作。他在《地球物理学研究杂志》中介绍了一种VHF技术应用于闪电放电过程的时空映像(Taylor WL.A VHF technique for space-time mapping of lightningdischarge progresses[J].J Geophys Res，1978，833575-3583)中所采用的基线长度为13.74m，时间差测量的分辨率为0.4ns，记录设备的带宽为20-80MHZ，系统采用逻辑电路和时间译码器直接读取时间差并进行定位。当辐射源在0-30度仰角和0-60度方位角内时，其定位结果将实时显示在示波器上，并由最大速度为50f/s的16mm摄象机捕获。由于采用硬件直接读取时间差技术，对设备各通道的一致性要求极高，而且只适合处理规则的孤立脉冲信号，对复杂电场波形难以有效处理。为了消除干扰信号的影响和减小误差，需要增加许多复杂的设备，这就大大降低了系统的实用性，因此自Taylor之后，短基线TOA雷电的定位技术一直没有得到发展和应用。
近年来随着记录设备的采集频率、存储容量和数据下载的传输速度迅速提高，数字化程度的大大增加，使得基于计算机的短基线TOA辐射源定位技术更加可行。时间差的读取、结果的显示和存储全都由计算机完成，还可以通过计算机软件完成数据的处理。
发明内容
本发明的目的在于克服现有闪电辐射源的电场测量法闪电定位系统和时差法(TOA)闪电定位系统的一些不足之处，提供一种短基线时差法超高频闪电辐射源探测定位系统，其将超高频闪电辐射源的电场测量与时差法(TOA)相结合来实现一种短基线形式的超高频闪电辐射源探测定位系统，可在短基线或超短基线范围内布设闪电辐射源的电场测量天线，以单站的形式实现闪电辐射源的较精确地探测并测量出闪电发生的准确位置，同时能够测定出闪电放电的准确轨迹。
本发明目的可以采取以下技术方案来实现一种短基线时差法超高频闪电辐射源探测定位系统，是由杆状偶极子天线、数字式四通道示波器、快天线电场变化仪、慢天线电场变化仪、DL708数字式示波器构成。4根特性相同的杆状偶极子天线输入信号电缆线分别与高速数据采集系统的相应通道1至通道4相连接；高速数据采集系统的GPIB接口信号电缆线与微计算机系统中的GPIB接口卡相连；快天线输入信号电缆线与快天线电场变化仪相连接；慢天线输入信号电缆线与慢天线电场变化仪相连接，快天线电场变化仪输出信号电缆线与瞬态波形记录器的信号输入通道1端相连接；慢天线电场变化仪输出信号电缆线与瞬态波形记录器的信号输入通道2端相连接；高速数据采集系统输出的触发信号电缆线与瞬态波形记录器的信号输入通道3端相连接。
杆状偶极子天线每根长为2-2.5米，每两根天线垂直于水平面，其在水平面上的垂直投影点之间连接而构成一条基线，基线为等长度，且南北方向布设的两基线与东西方向布设的两基线之间呈垂直相交，四根特性相同、等长的偶极子天线的垂直方向上的投影正好处在水平面上一正方型的四个顶点上。
杆状偶极子天线中心频率是280MHz，带宽100MHz，设计增益为7-8dB。
本发明的技术特点和产生的有益效果是1、本发明设计的这种短基线时差法(TOA)超高频闪电辐射源探测定位系统，是采用短基线天线布局将超高频闪电辐射源的电场测量与时差法(TOA)相结合而构成的一种结构简单、安装方便的混合型闪电辐射源探测定位系统。它改进了现有闪电辐射源的电场测量法闪电定位系统和时差法(TOA)闪电定位系统精度不高、需多站配合、站点布设范围大、站点设备布设不便等一些不足之处。本发明不存在多站同步的问题，所需设备简单；同时，由于天线之间的距离很近，各个通道波形也更加一致，相对容易，判别来自同一辐射源的时脉冲，而且适用于时间到达法定位的孤立脉冲在闪电的每个阶段都有发生，这将使得系统能够相对连续地描绘闪电的发展状况。由于系统具备这些独特的优点，在闪电物理的研究中将发挥重要作用；2、本发明利用高速数据采集设备同步记录闪电放电过程中产生的大量高频和甚高频电磁脉冲产生在四个天线的电场波形，然后通过微机对记录到的多通道闪电放电过程电场数据进行处理，实时地计算出闪电辐射源的方位及其变化，可以较为直观且详细地了解闪电发生发展的物理过程，加深对闪电物理机制的认识；3、四根偶极子天线长度分别为2-25m，安装在同一水平面，天线阵子距地面1.83m，天线之间距离10m.系统接收的信号中心频率280MHZ，带宽100MHZ。四根偶极子天线布局为—正交正方形平面，四条基线等长，由于闪电电场波形高频波形特征明显，很容易对闪电电场波形到达天线的时刻进行识别、分析和计算，从而较准确地确定闪电辐射源的位置仰角和方位角。其简化了计算闪电仰角和方位角的计算方法，有利于数据的快速分析计算；4、本发明采样频率为2GHZ，存储容量500MByte.为解决采样频率和存储容量之间的矛盾，采用了分段触发技术，当超过规定触发电平的闪电辐射脉冲到达时，触发记录一个段。通过调节触发电平，不同强度和距离的闪电各放电过程都能被记录；5、本发明不仅能够测量出闪电发生的准确位置，而且能够利用闪电辐射的VHF电磁场测定出闪电放电的准确轨迹，其对于建立覆盖全国的雷电监测网，加速雷电定位系统的应用进程，开展商业化雷电监测业务必将产生积极作用。
图1为本发明各部件信号连接流程示意2为本发明四根杆状偶极子天线布局示意3为本发明时间差法辐射源定位原理示意4为本发明闪电方位计算示意图具体实施方式
下面结合附图对本发明再作进一步的说明一种短基线时差法超高频闪电辐射源探测定位系统，是由杆状偶极子天线、数字式四通道示波器、快天线电场变化仪、慢天线电场变化仪、DL708数字式示波器构成。4根特性相同的杆状偶极子天线输入信号电缆线分别与高速数据采集系统的相应通道1至通道4相连接；高速数据采集系统的GPIB接口信号电缆线与微计算机系统中的GPIB接口卡相连；快天线输入信号电缆线与快天线电场变化仪相连接，慢天线输入信号电缆线与慢天线电场变化仪相连接，快天线电场变化仪输出信号电缆线与瞬态波形记录器的信号输入通道1端相连接；慢天线电场变化仪输出信号电缆线与瞬态波形记录器的信号输入通道2端相连接；高速数据采集系统输出的触发信号电缆线与瞬态波形记录器的信号输入通道3端相连接(见图1)。
如图2所示，A、B、C、D杆状偶极子天线长为2米，每两根天线垂直于水平面，其在水平面上的垂直投影点之间连接而构成一条基线，基线为等长度，且南北方向布设的两基线与东西方向布设的两基线之间呈垂直相交，构成一个正方形，A、B、C、D杆状偶极子天线分别位于正方形的四个顶点。天线AB和DC在东西方向，BC和AD在南北方向。基线长度皆为10米。考虑到天线自身的形状，这种天线布局有利于尽量减小天线形状对测量误差的影响。为了减少实验场地对接收天线的影响，应将天线尽量架高，在野外观测时，天线底部距离地面要大于1.5米。
杆状偶极子天线中心频率是280MHz，带宽100MHz，设计增益为7dB。
本发明选用的高速数据采集系统部件为美国Lecroy公司的Lecroy374L型数字示波器。
本发明还选用美国NI公司的GPIB 488-PCI接口卡作为系统高速数据传输接口部件。
本发明涉及的这种短基线时间差法超高频辐射源探测定位系统的天线通过四根长度和频响特性相同的电缆分别与示波器的四个输入端连接；Lecroy374L示波器通过GPIB接口卡与微机实现数据交换；微机控制示波器完成闪电辐射信号的采集，并存储采集到的数据及相关参数。DL708数字式示波器用来同步记录闪电产生快天线电场变化和慢天线电场变化，工作时用LeCcroy374L第一段记录被触发时从触发输出端口输出的脉冲信号作为触发源。并能够给出LeCroy374L每段的触发时刻所对应的位置。示波器获取的闪电VHF辐射电场波形可以通过GPIB-PCI卡从其内存读写到计算机中。示波器和GPIB卡之间用专用数据传输线连接，传输速度为1兆字节/秒，微机与示波器之间的通讯也是通过GPIB卡实现的。
当天空中有闪电发生时，连接在高速数据采集系统第一通道的杆状偶极子天线迅速感应到闪电电场变化，闪电电场信号变化幅度达到系统所设定的触发电平门限时，触发高速数据采集系统开始对输入的四路闪电电场波形信号进行同步采集和记录。同时，高速数据采集系统输出一触发脉冲波形信号，到瞬态波形记录系统；当瞬态波形记录系统接收到来自高速数据采集系统输出的一触发脉冲波形信号时，其记录触发逻辑为真，从而触发瞬态波形记录系统。瞬态波形记录系统，以1MPt./S的采样速率对连接到它上面第一通道的快天线电场变化仪输出的电场波形信号和第二通道的慢天线电场波形变化仪输出的电场波形信号进行采集和记录；高速数据采集系统每采集一次，持续大约1秒，完成采集记录后通过其上的GPIP接口，输出一本次采集完成信号，触发连接其GPIP接口上的计算机系统上运行的波形数据接收、显示、分析计算、定位结果显示软件。软件系统在接收到来自高速数据采集系统的本次采集完成信号后，立即在计算机系统终端屏幕上提示用户是否保存波形数据文件，用户根据高速采集系统屏幕显示的波形好坏情况，可判断和选择是否保存本次采集到的闪电波形数据文件。若选择保存，则计算机系统会将本次采集到的闪电波形数据自动从高速数据采集系统中通过GPIB接口传输到计算机系统中，并按通道把每个通道的数据保存为一个数据文件，同时将高速采集系统的数据采集时间参数也保存为一个单独的数据文件，用于以后的分析计算。这样，每采集一次，保存时可生成个4数据文件和1个数据参数文件。
瞬态波形记录系统中带有较大的存储硬盘，采集和记录快、慢天线电场波形变化仪输出的电场波形信号，可记录大约数百个数据文件，暂时不用将记录的数据文件传输到计算机系统中。可以一个月导出一次数据文件到计算机系统中，它的数据导出是通过其上的PCMCA接口卡与计算机上的PCMCA接口相连接，通过由计算机系统中的资源管理器操作瞬态波形记录系统中的硬盘上的文件和目录来实现文件数据的传输和保存的。
计算机系统上运行的波形数据接收、显示、分析计算、定位结果显示软件，可对高速数据采集系统传输并保存在计算机系统硬盘中的闪电波形数据进行波形显示、分析、计算，并可将定位结果闪电辐射源的仰角和方位角，保存为数据文件，也可进行图形化显示。
计算机系统上运行的波形数据接收、显示、分析计算、定位结果显示软件，可对瞬态波形记录系统记录的快、慢天线电场波形变化仪输出的电场波形信号数据文件进行分析、计算、波形显示。可配合高速数据采集系统采集到的闪电电场波形数据，对闪电发生发展的过程进行对比分析和较精确定量地进行描述。
其次，利用VLF/LF宽带地闪定位方法对云闪进行了探测实验，结果表明，这种系统对远区雷暴的云闪活动也可以进行定位。因为雷暴的云闪频数一般多于地闪(在某些强风暴对流天气系统如雹暴中，云闪放电占绝对优势)，而且首次放电往往从云闪开始，云闪和地闪的同时监测对了解雷电活动和雷暴天气系统发展演变的关系以及中小尺度灾害性天气的监测预警都很有意义。
为便于说明时间差法定位技术的原理，只考虑有两个接收天线的情况。如图3所示，假设A和B为两个接收天线，d为基线长度，入射电磁波沿着与基线成θ夹角的方向平行到达这两个天线，时间差Δt与入射角(θ)的关系为Δt＝dcos(θ)/c，(1)其中c为真空中的光速。从式(1)可以看出，只需测得电磁波到达两天线的时间差，就可以计算出闪电辐射源和基线的夹角(θ)。
图4为闪电方位计算示意图，其中A、B、C、D分别表示四个天线，P为空间任意一个辐射源，P′是P在地面上的投影，φ、θ为辐射源的方位角和仰角。为了计算方便，把整个半球形天空按照方位角平均分为四个区域，分别对应平面直角坐标系的一个象限。计算不同区域的闪电辐射源时分别用不同的天线组合，对于等效的基线在计算时间差时用其平均值。当方位角在(0°-90°)范围时，以天线DA为基准天线，方位角在(90°-180°)时，以AB为基准天线，依次类推。在已知时间差的情况下，辐射源方位角和仰角的计算主要有两种方式一是双曲线法，二是正切函数法(正交基线法)。前者主要在长基线时差法定位系统中应用，后者比较适合用在短基线的辐射源定位系统中。本系统所介绍的短基线时差法闪电辐射源定位系统，天线阵列采用的是正交基线，因此选用后者计算辐射源的方位角和仰角。当辐射源的方位角在(0°-90°)范围内时，有cosθ×cos＝cosPDA(2)cosθ×sin＝cosPDC(3)式中θ为辐射源的仰角，φ方位角。从(2)、(3)两式可得＝arctg(Δtdc/Δtda)θ＝arccos((c/d×Δtda)2+(c/d×Δtdc)2)1/2在青海进行的野外观测实验中，示波器采用的是分段触发的记录方式，最多可以记录1000段，每段的记录时间长度是1μs。示波器的采样频率是2GS/s，即采样点之间的时间间隔是0.5ns。计算闪电辐射源方位时，只需要得出特征脉冲之间的采样点差值就可以知道电磁波到达每个天线的时间差。
辐射源在其他区域时计算方法与(2)、(3)式类似，计算方位角之前首先判断其所在的范围，然后根据所在范围对计算结果作不同的角度修正就可以得到实际的方位角。
为了减小定位误差，在实际闪电方位计算程序中，对于和某基线夹角小于25°的辐射源，使用天线阵列中处于对角线上的基线计算辐射源的方位，这样可以尽量避免辐射源在基线的延长线附近。例如，当辐射源与基线DC的夹角小于25°时(即图2.6中阴影部分1)，使用天线阵列中处于对角线上的基线，计算辐射源的方位，采用基线DB代替DC进行定位；当辐射源与基线DA夹角小于25°时(即图4中阴影部分2)，采用基线CA代替DA进行计算。除此之外，还采取了在读取时间差时忽略各天线所记录的波形相似程度较低的数据以及尽量选取视野开阔的场地等措施提高定位精度。
闪电方位角和仰角的计算结果，分别作为一组数据存储下来。定位结果通常采取仰角-方位角的显示方式。但为了便于分析定位结果，有时也把方位角和仰角随时间的变化分别给出。除此之外，还可给出辐射源定位结果的平面投影，忽略辐射源到测站距离的不同而把其投影到单位半径的天体半球面上，然后投影到地面上以天线阵列为圆心的单位半径的圆内。但采用这种显示方式有明显的缺点，即仰角比较小的辐射源被压缩到一个很小的环形区域内，因此只适合辐射源仰角较大的情形，本系统尽量避免使用。
权利要求
1.一种短基线时差法超高频闪电辐射源探测定位系统，是由杆状偶极子天线、数字式四通道示波器、快天线电场变化仪、慢天线电场变化仪、DL708数字式示波器构成，其特征在于4根特性相同的杆状偶极子天线输入信号电缆线分别与高速数据采集系统的相应通道1至通道4相连接；高速数据采集系统的GPIB接口信号电缆线与微计算机系统中的GPIB接口卡相连；快天线输入信号电缆线与快天线电场变化仪相连接；慢天线输入信号电缆线与慢天线电场变化仪相连接，快天线电场变化仪输出信号电缆线与瞬态波形记录器的信号输入通道1端相连接；慢天线电场变化仪输出信号电缆线与瞬态波形记录器的信号输入通道2端相连接；高速数据采集系统输出的触发信号电缆线与瞬态波形记录器的信号输入通道3端相连接。
2.根据权利要求1所述的一种短基线时差法超高频闪电辐射源探测定位系统，其特征在于杆状偶极子天线长为2-2.5米，每两根天线垂直于水平面，其在水平面上的垂直投影点之间连接而构成一条基线，基线为等长度，且南北方向布设的两基线与东西方向布设的两基线之间呈垂直相交，四根特性相同、等长的偶极子天线的垂直方向上的投影正好处在水平面上一正方型的四个顶点上。
3.根据权利要求1或2所述的一种短基线时差法超高频闪电辐射源探测定位系统，其特征在于杆状偶极子天线中心频率是280MHz，带宽100MHz，设计增益为7-8dB。
全文摘要
本发明涉及一种短基线时差法超高频闪电辐射源探测定位系统，4根特性相同的杆状偶极子天线输入信号电缆线分别与高速数据采集系统的相应通道1至通道4相连接；高速数据采集系统的GPIB接口信号电缆线与微计算机系统中的GPIB接口卡相连；快天线输入信号电缆线与快天线电场变化仪相连接；慢天线输入信号电缆线与慢天线电场变化仪相连接，快天线电场变化仪输出信号电缆线与瞬态波形记录器的信号输入通道1端相连接；慢天线电场变化仪输出信号电缆线与瞬态波形记录器的信号输入通道2端相连接；高速数据采集系统输出的触发信号电缆线与瞬态波形记录器的信号输入通道4端相连接。利用高速数据采集设备同步记录闪电放电过程中产生的大量高频和甚高频电磁脉冲产生在四个天线的电场波形，然后通过微机对记录到的多通道闪电放电过程电场数据进行处理，实时地计算出闪电辐射源的方位及其变化，可以较为直观且详细地了解闪电发生发展的物理过程，加深对闪电物理机制的认识。
文档编号G01S5/00GK1847876SQ20051004199
公开日2006年10月18日 申请日期2005年4月13日 优先权日2005年4月13日
发明者郄秀书, 张广庶, 韦五周, 张泉, 董万胜 申请人:中国科学院寒区旱区环境与工程研究所