单站闪电电场定位装置和方法与流程

本发明涉及一种闪电定位装置和方法，具体涉及到通过闪电电场和雷声进行单站闪电定位，属于雷电探测仪器技术领域。

背景技术：

当闪电发生时，会产生巨大的回击电流及电脉冲辐射。因此，闪电定位探测直接关系着空中飞行器的安全，是飞机飞行及航天器升空的重要参考数据。传统的闪电定位设备有磁方向探测仪和时差法探测仪，能够记录闪电发生的时间、位置、强度、极性等指标，但上述测量方法均需设置多台仪器才能完成测量，相对单站观测，组网观测对试验成本、场地要求、系统的同步和复杂性以及维护等方面要求更高，所需设备复杂，测量成本较高。

现有的闪电定位方法，单站设备一般采用磁场探测法或时差探测法，可以确定闪电对观测点的方位。电磁波传播速度为3xlo⁸m/s，而大气中的声速在350m/s，因此，通过声，电波的到达观测点的时间差可以计算出雷击点到观测点的距离,从而二者结合可以定出闪电发生的位置。专利号cn102540145a的单站准三维闪电定位装置和方法,采用的便是这一技术，在观测点，相隔一定距离布置多套闪电电磁波接收器，采用接收闪电电磁脉冲的方法，通过比较到达多个传感器时间差，确定闪电相对于观测点的方向,再综合雷声信号确定闪电位置坐标，此方法虽然能够完成单站闪电定位，但所用传感器较多，需要布置成阵列，定向方法比较繁琐。

技术实现要素：

发明目的：在地面一个观测地点，采用一套观测仪器，在闪电发生后，确定闪电发生的地点。技术方案如下：

单站闪电电场定位装置，组成见图5所示,包括：三维电场传感器，雷声传感器，信号处理电路，数据采集器，相对介电常数监测仪以及通用计算机构成，三维电场传感器可测量三路正交的电场脉冲信号，分别经过信号处理后，由屏蔽电缆连接至数据采集卡通道1至通道3，雷声传感器信号输入相应的信号处理电路处理后，由屏蔽电缆连接至数据采集卡通道4，数据采集卡经过usb电缆与计算机相连。相对介电常数测量单元直接将地面相对介电常数值通过通信电缆输给计算机。在计算机中根据数据采集卡采集的数据进行计算，获取闪电发生的位置。

实现方法分为两个步骤：闪电方位测量和闪电距离测量。

闪电发生时，首先，三维电场传感器测量电场的三维正交分量ex，ey，ez，同时记录下采集每个数据的时间，在整个闪电发生期间采集到的电场变化曲线是一个类似于图3所示的波形，根据公式1可计算出电荷对观测点的方位角，

其中，α是电荷相对观测点的水平方向角，γ是相对观测点的俯仰角，ε1为空气相对介电常数，ε2为大地相对介电常数，该介电常数由地面相对介电常数检测单元提供。

其次，闪电发生后一段时间，全向声音传感器接收到闪电导致的雷声信号，经过信号调理后，由数据采集卡的通道4采集，采集到的信号也是一个类似于图3的强度有变化的波形，同时记录下采集每个数据的时间。

采集完电场数据和雷声数据后，对两组数据进行匹配，目的是确定采集到的两组数据是由同一个闪电产生的，在此可以用多种方法判断闪电产生的电场和雷声信号同一性。

确定两个波形是由同一个闪电引起的电场和雷声波形后，定出两波形的起点和终点，将波形等分n等分，根据定位分辨率需求，选择不同大小的n值。对应的每一等分的三维电场波形，通过式1，可以计算该时刻的闪电电荷对观测点的方位角αi，γi，以及电场信号和雷声信号到达测量点的时间差δti，由于电场以光速传播，可以忽略电场传播所需的时间，所以δti可以认为是雷声由闪电发生位置传播到观测点的时间，上述数据分别形成一组数据序列[αi，γi，δti]，设雷声的传播速度为v，为方便计算，观测点坐标设为坐标原点，则ti时刻闪电在空间的位置坐标可计算如下，

计算整个闪电方位角和雷声时间差的数据序列，可得到每一段闪电的位置坐标，依次连接可以得到大致的闪电空间路径。计算中，若俯仰角γi值接近0度，即是地闪落点的位置，若γi的数值一直较大不接近0度，则为云闪。

单站闪电定位原理如下：

闪电发生后，闪电大量中和云中电荷，造成闪电发生点处静电荷变化，进而导致静电场变化，测量变化的静电场三维分量，计算出闪电相对于观测点的方向，并记录下接收到闪电电场信号变化的时间。其次，使用声波接收装置，接收声波信号，记录下接收声波信号的时间，接收到闪电电场信号变化的时间和接收到雷声声波的时间差，为声波在空气中的传播时间，该时间乘以声波传输速度，可以得到闪电距离观测点的距离，由于静电场传播速度等于光速，故忽略静电场传播所需时间。由于同时得到了闪电相对于观测点的方向和距离，于是就可以确定闪电发生的具体地点。

1、闪电电荷变化造成的地面电场分布

闪电导致空中电荷变化，不管是正闪还是负闪，不管是云闪还是地闪，每一段闪电都是正负电荷相互中和的过程，其结果就是，每一段闪电发生后，电荷沿闪电路径移动了一小段路程，相当是这个电荷来到一个新的位置，测量该电荷导致的三维电场变化，计算该电荷对于观测点的方向。设闪电处电荷以q表示，建立空中点电荷对地面的电场分布模型，见图1，点电荷产生的电场是关于z轴轴对称的，故考虑其xoz截面电场分布即可，地面为x轴，空气介电常数为ε1，大地介电常数为ε2，空气ε1区域有一点电荷q，分界面看成是无限大电介质平面。

点电荷在分界面上方(0，0，h)处，电量q，所在区域介电常数ε1，x轴下方区域介电常数ε2。由镜像法，区域ε1的电场由电荷q和位于区域2的镜像电荷q1共同产生，空间由ε1的电介质充满。地表上方空间任一点a(z>＝0)电位表示为：

三维坐标情况下，电位分布为由3式变为：

电位分别对，x，y，z求导，得到空间任意一点电场的三维分量：

2、电场测向法测量闪电电荷方位

为分析电场方向与电荷实际方位之间的关系，建立三维电场分量与电荷几何方位示意图，如图2所示，电荷坐标(h，0，0)，电介质分界面上测量点坐标(a，b，0)，测量到电场分量ex，ey，ez。测量点与电荷间方位用俯仰角γ，水平方向角α表示。在地平面上一点(a,b,0)其电场为：

根据图2中几何关系

如果通过地面电场的关系来计算高度角和水平角，则有：

因此，测量到地面电场的2个正交水平分量，可以确定点电荷的水平方位角，测量到的电场三维分量和地面相对介电常数，可计算得到的空间电荷的仰角，空气的相对介电常数可认为1。

3、闪电电荷变化点与观测点之间的距离和位置坐标计算

通过数据采集卡测量三维电场变化波形和雷声变化波形，匹配两者波形，如图3所示，(a)图中是三个电场分量变化波形，不仅记录了波形强度，同时还记录了对应的时刻，(b)图是雷声信号传递到观测点被声音传感器捕捉到的变化波形，同样有波形强度和发生时刻，由于电场传播速度和声音传播速度不同，两者的发生时刻也是不同的，通过排序，相关系数匹配或其他算法比较两者波形，确定这两个波形是由同一个闪电引起的电场和雷声波形，定出两波形的起点和终点，将波形等分n等分，起点时刻t0，终点时刻tn，中间点某点时刻ti，根据定位分辨率需求，选择不同大小的n值。对应的每一等分的三维电场波形，通过式12，可以计算该时刻的闪电电荷对观测点的方位角αi，γi，以及电场信号和雷声信号到达测量点的时间差δti＝ti-ti，分别形成序列[αi，γi，δti]，设雷声的传播速度为v，为方便计算，观测点坐标设为坐标原点，则ti时刻闪电在空间的位置坐标可计算如下，

计算整个闪电方位角和雷声时间差的数据序列，可得到每一段闪电的位置坐标，依次连接可以得到大致的闪电空间路径。

有益效果

本技术方案采用一套闪电定位设备，即可对闪电发生位置进行定位，省略了多套闪电定位仪布网。

附图说明

图1、闪电电荷电场分布示意图；

图2、三维电场与电荷方位示意图；

图3、电场和雷声信号匹配示意图；(a)图中是三个电场分量变化波形；(b)图是同一闪电引起的雷声信号变化波形；

图4、系统结构组成框图；

图5、传感器安装布置图；

图6、三维闪电电场测量传感器原理示意图；(a)是静电场传感器结构；(b)是垂直电场感应电极布置方式；(c)是静电场传感器的屏蔽罩镂空情况；

图7、同面电极相对介电常数传感器原理示意图，(a)是传感器结构；(b)是传感器等效电路；

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的阐述。

传感器安装布置如图4，系统构成框图参照图5。在地面开阔处安放闪电定位系统一套，周围一定范围内不能有高于或高度相同的建筑物存在，系统也可安装在楼顶中央，但不能靠近边角地带，边角地带电场有不均匀畸变。室外探测系统由三维电场传感器1、地面介电常数测量仪2、雷声探测器3和支架4等几部分组成，三维电场传感器安装在支架顶部，其测量信号通过同轴电缆接入数据采集卡通道1，2，3。

介电常数测量仪安装在地面，其传感器直接与地面相接触，测量观测点地面的相对介电常数ε2，测量结果通过串行通信直接传送给计算机，用以计算空中电荷相对观测点的方向。

全向声波传感器用以探测闪电引发的雷声信号，安装在电场传感器下方，支架分支上，可安装一个或多个，以改善探测方向性，增强信号强度。雷声信号经电变换后，也采用同轴电缆传送至数据采集卡的一个单独通道。

闪电持续时间一般135ms--865ms，平均377ms，故闪电电场和雷声信号持续时间也在几百毫秒范围内变动，故数据采集卡选择中低速即可，采集通道需要四通道以上，如选用数据转换速度1khz到100khz间中速多通道数据采集卡，即可以将整个闪电电场和雷声信号变化过程精细的保存下来。

安装支架尽量采用低介电常数的材料，以免对电场分布产生较大的影响，闪电电场传感器标定时，连同安装支架上端一起放入标准电场中标定，以尽量消除安装支架对静电场的影响，例如可以采用pvc管做支架，高度一般为1.5米，电场信号和雷声信号传输电缆从管中通过，接到计算机系统中的数据采集卡。

为测量闪电电荷方位，设计三维传感器如图6所示，图6(a)在圆筒yt上布置三组正交方向的金属感应电极，其中，z为垂直方向电极，分a，b两组，中间绝缘，布置见图6(b)，通过圆环状绝缘支撑材料h固定在圆筒顶部，负责探测垂直方向的闪电电场；圆筒yt的侧面对称布置水平电场探测电极2对x，y，分别为探测水平面内正交方向闪电电场的探测电极，两对电极连线在水平面内，且垂直；p是镂空形状的金属屏蔽电极，见图6(c)，镂空形状与感应电极分布相对应，圆筒内部安装有电机m，屏蔽电极p安装在电机轴上，由电机带动屏蔽电极转动对静电场进行调制，以便进行静电场持续测量；光电开关g安装在垂直电极z的反面，同步叶片t也安装在电机m的轴上，镂空形状与屏蔽电极相同，和屏蔽电极同步旋转，切割光电开关光路，产生与电场调制同步的方波信号，用于调制电场的相敏检波。三个正交布置的电极测量时输出三个电场测量数据，通过电场重构，还原出空间电场三个正交分量ex，ey，ez。

介电常数测量采用同面电极结构电容传感器，见图7，(a)图是传感器结构，由三片电极构成，测量电极1和2在同一平面，是金属平板，测量区域就是电极1，2上方的待测介电常数为ε2的区域，紧邻电极1和2，介电常数不一样，电极1和2之间形成的电容就不一样，电极1,2可以有多片,分成2组,交叉排列,以增强信号，屏蔽电极3分两部分，一部分与电极1，2同面，围绕在电极1，2周围，另一部分在电极1，2背面，中间由绝缘介质4填充并连接固定，电极3的两部分电气相连，并且也是由绝缘介质4固定的，使用时电极3接地，用来屏蔽外界干扰电场。等效电路如图7(b)所示，电极1和3，2和3形成两个电容c13和c23，电容大小固定，通过电极3形成串联连接，电极1，2之间形成电容c12，电容大小由待测区域介电常数ε2来确定，电极1，2之间的总电容由c13和c23串联后再与c12并联产生，而c13和c23串联电容固定不变，所以，电极1，2之间的总电容变化取决于电极1和2的电容变化，即取决于被测介电常数ε2的变化。使用时电极1、2与地面接触，可测量地表相对介电常数，不需要对地面物质进行取样。

在计算机中设置阈值判断有无电场信号和雷声信号，然后对采集到的有效的电场波形和雷声波形进行识别和匹配，以确定采集到的两组波形数据是由同一个闪电产生的，这可采用多种方法识别，如排序法，对一段空闲时间后接收到的电场信号和雷声信号排序，序号相同的即为同一闪电出发的两种信号。由于闪电各部分到观察点的距离不同，雷声信号时间跨度和电场信号时间跨度不一样，即采集到的两波形时间长度不一，但可以定出两波形的起点和终点，然后将波形等分n等分，按序号对应的每一等分的三维电场波形和雷声信号波形，都可以计算出电场方向和电场信号、雷声信号到达测量点的时间差序列[αi，γi，δti]，通过式2，可计算出每一段闪电发生的位置。

除了直接得到每段闪电位置以外，按时间顺序依次连接每一段闪电位置，可以得到闪电在空中大致的路径图。

对地闪和云闪的判别依据是，在计算中，若闪电俯仰角γi值接近0度，即说明闪电电荷到达地面附近，可以判断为地闪，对应的该段闪电位置即为地闪落点的位置。若闪电俯仰角γi的数值一直较大，其中也未出现过接近0度的数值，则判断为云闪。