一种雷电综合探测预警系统及其雷电探测方法与流程

本发明属于防雷设备技术领域，具体涉及一种雷电综合探测预警系统及其雷电探测方法。

背景技术：

多年来，雷电临近探测使用的大气电场仪，探测、预警的准确性得到了很大提高，在我国电力、石化、气象等行业发挥了积极作用。随着预警时间准确性的提高，人们发现有害的雷电并不多，因此导致了很多无效的躲避雷电行动。

主要表现在：雷电距离预警的地点有多远，雷电的位置在哪里，雷电离地面有多高，将要发生的雷电危害有多大，而如果不使用雷电预警系统，担心雷电造成设备损坏；但使用雷电预警系统，又出现了很多无效的躲避工作。

现代城市中大都设置有气象雷达进行气象预报，同时雷达回波能够准确的探测到雷电云的位置、距离、高度以及根据回波轻度分析出雷电能量，但是探测不到雷电临近会不会发生。大气电场仪能够探测到临近会发生雷电，但是探测不到会发生雷电的位置、距离、高度以及有多大危害。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供一种雷电综合探测预警系统及其雷电探测方法，通过这种户外的可移动式小型预警设备进行组网，通过后端的服务器对该区域内的所有设备数据进行整合从而达到区域防雷的效果。

本发明所采用的技术方案为，

一种雷电综合探测预警系统，用于对特定区域内对气象数据中用于反映雷电形成条件的特征值进行监测预警，包括，

大气电场探测模块，所述大气电场探测模块用于探测特定区域内雷电云的至少包含有电场数据的特征值a；

气象雷达模块，所述气象雷达模块用于探测特定区域内雷电云的至少包含有地理位置数据的特征值b；

系统模块，所述系统模块用于连接大气电场探测模块和气象雷达模块且通过接收到的特征值a与特征值b结合形成雷电预警信息。

首先，现在许多城市或群众聚集区域内均设有雷电预警和探测系统，用于防止雷电对该区域内的设施或人员的造成影响。而雷电防护方式多种多样，但均为被动防护，则防雷工作中关键点就在于对雷电的预先探测和预警。

则在许多城市中大都设置有气象雷达，主要用于气象预报，使用现代科学技术对未来某一地点的地球大气层的状态进行预测，主要是收集大量的数据，如气温、湿度、风向和风速、气压等等。而天气的变化主要是大气中的云层的物理状态，通过观测大气云层的多种参考特征值，从而根据研究模型来判断未来一定时间内特定区域会出现的气象变化。

雷电属于雷雨云积累形成极性放电产生的自然现象，其形成条件中必然存在雷电云，则预测雷电也是通过对雷电云形成的预测和形成后的状态观测来进行判断。现有的气象雷达能够通过电磁波探测云层的位置、密度和高度，同时还能够对其流速、运动方向和运动轨迹进行探测，其主要原理是通过360°周向旋转并以一定的仰角的天线进行扫描，当电磁波遇到云层发生散射时，通过散射回来的信号进行数据分析，从而形成以带有坐标系的该区域地图为背景的云层模拟图。气象雷达无法知道该区域内的云层实际状态，但是系统会根据其密度和大小来判断可能出现雷电云的可能性，当其达到设定的阈值后进行预警。

而许多气象站还设有闪电定位仪，该设备是指利用闪电辐射的声、光、电磁场特性来遥测闪电放电参数的一种自动化探测设备，并把经过预处理的闪电数据实时地通过通讯系统送到中心数据处理站实时进行交汇处理，可连续运行并记录雷电发生的时间、位置、强度和极性等指标。该设备在出现闪电后能够准确定位的仪器，也就是说其不能进行预测，只能实时监测。但其监测数据可用于对雷电形成预测系统的准确性的反馈，因为闪电发生的地点被包含在气象雷达判断可能发生雷电的区域内，则气象雷达判断出来的地理位置属于集合a，而闪电定位仪检测到的地理位置属于集合a的子集。通过多次的验证，能够对预测模型进行调整，从而提高其精度。

但通过闪电定位仪仅能够对发生过的预测信息进行验证，但无法直接应用在预测工作中，且许多气象雷达和预测设备大都设置在人员密度较大的区域内，对于一些户外的设施或区域，在没有设置气象雷达的位置，仅能通过卫星或附近的气象雷达进行大概的预测和判断，而不精准的预警会影响区域内一些特定设施的正常运行，因为一旦确定可能会出现雷电，但不知道准确的发生位置和发生时间，则需要对该区域内的所有设施进行调控，特别是一些石油生产或运输设备，需要停机并采取严密的防雷措施，当雷电预警消除后才能恢复正常。

本发明提供一种移动式的户外雷电综合探测系统，相较于现有的大气电场仪，其精度较高，且能够准确获取到雷电云的位置和大小，从而做出准确的判断。其中所包含的大气电场探测模块是一种感应器，利用导体在电场中产生感应电荷的原理来测量电场的特征值。而在本设备中则是针对雷电云进行特征值a的检测，其中必然包含有该区域内的电场值。

而气象雷达模块是一种小型的雷达天线组件，开机后能够在周期时间内对特定半径值的圆形区域依次进行扫描，主要是对空，并在环形扫描时不断变化仰角，从而以扇形扫描面旋转得到一个环状扫描空间。在该空间内，形成以云层的位置、密度、大小等特征值构成的数据包，也就是特征值b，并发送至系统模块中，由系统模块将其与大气电场探测模块的检测值进行合并，从而能够得到较为精确的雷电预测信息。

也就是说，大气电场探测模块得到的是较为粗略的区域雷电云电场值，一旦该电场值超过阈值，则说明可能会有雷电形成，从而在通过叠加气象雷达扫描的雷电云的位置信息和其他信息，从而能够精准定位，并通过多个参数参考得到较为精确的雷电发生概率进行预警。

值得说明的是，其中的特征值a与特征值b是两个特征值集合，包含有多种不同的参数值。例如气象雷达模块，其检测一个周期后得到的特征值b中包含有特定区域内的云层密度、云层体积大小、云层流速、云层的空间位置等，而大气电场探测模块得到的特征值a中不仅包含有电场强度，同时还包含有电场强度变化率等数值，同时通过设置有多个模块可同步精确检测。

进一步的，所述气象雷达模块覆盖c波段、x波段、k波段和u波段。

进一步的，所述气象雷达模块为k波段。

本发明中的设备主要应用在户外，而采用的波段不同，其探测天线的大小也不同。其中常见的无线电波段包括u波段、ka波段、k波段、ku波段、x波段、c波段和s波段，每个波段对应的波长和频率范围不同，以c波段为例，其频率范围在4-8ghz，而波长范围在37.5-76.0mm之间，一般常用的天线直径在2-5m之间。若气象站常用的s波段和l波段雷达的天线大小较大，虽然探测精度较高，但并不适用于本发明，故根据实验确认k波段最合适，在合适的体积大小内保证其具有较好的探测范围和探测精度。

进一步的，当所述大气电场探测模块检测到的电场数据超过阈值后所述系统模块控制所述气象雷达模块启动并进行至少一个周期的扫描。

气象雷达模块属于主动式微波大气遥感设备，其实质为一种多普勒雷达，虽然具有较好的探测效果和探测范围，但功耗较高，本发明所公开的设备主要用于户外，若为了提高移动便捷性而采用电池方式进行供电，则无法支持其持续工作。则为了提高实用性，在正常状态下，系统模块仅控制大气电场探测模块开机进行工作，该模块电耗较低，可长时间持续稳定工作。而通过预设合适的阈值，当探测得到的电场数据超过该阈值后，则会启动气象雷达模块进行扫描，一般一个扫描周期为1-10min，可得到该区域内一个完整的气象数据信息，然后再由系统模块将其数据叠加得到一个精准的预测信息进行预警。

进一步的，所述大气电场探测模块和气象雷达模块通过设有的支架形成一体式结构，所述支架上设有安装座，所述安装座上设有多个大气电场探测模块。

进一步的，所述系统模块包括设置在支架上的控制组件和与控制组件远程通信连接的服务器，所述大气电场探测模块、气象雷达模块和控制组件由设置在支架上的太阳能电池组供电。

进一步的，所述大气电场探测模块和气象雷达模块外部均设有绝缘保护壳。

进一步的，所述支架上还设有与控制组件连接的风速风向测试模块、温度检测单元、湿度检测单元、雾霾检测单元、雷电声音检测单元和雷电磁场检测单元。

一种雷电探测方法，采用上述的一种雷电综合探测预警系统，具体步骤如下：

g1.首先将支架假设在特定区域a中，并将特定区域a的带有坐标系的地图模块设置在服务器中；

g2.然后通过控制组件控制所述大气电场探测模块进行实时监测，当特征值a中的至少一项数值超过预设阈值后便开启气象雷达模块工作；

g3.当气象雷达模块完成一个周期的扫描并将特征值b发送至控制组件后，控制组件将实时的特征值a与特征值b发送至服务器中；

g4.服务器先将特征值a与地图模块合成电场覆盖图，并将特征值a转化成云层图像并叠加在电场覆盖图中，并将带有电场覆盖图与云层图像中的重叠区域作为预警区域进行预警。

本实施例中的雷达的探测半径超过100公里，因为使用k波段，则天线小，探测距离30km，可以嵌入安装到支架的立柱上，有很强的探测雷暴云能力。

目前的主流雷达是双偏振多普勒天气雷达，常用的波段有s、c和x三种波段，探测效果s波段最好，c波段次之，x波段稍差。建设成本s波段最贵、x波段最便宜，c波段的价格中等。利用雷达探测雷电的优势：雷达可以监测大范围雷暴的强弱和移动，因而雷达具有预测“雷电发生区域”的能力，优于闪电定位仪。

本发明的有益效果为，

本发明结合气象雷达和大气电场设备，通将气象雷达装置嵌入到大气电场仪上，雷达探测回波数据，转换成回波强度彩色图叠加在地图上，构成一个雷电探测预警雷达系统。

附图说明

图1是本发明设有四个大气探测模块的结构示意图；

图2是本发明取下大气探测模块的结构示意图。

图中，1-大气电场探测模块，2-气象雷达模块，3-支架，4-安装座，5-控制组件，6-太阳能电池组。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，本申请的描述中若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，本申请的描述中若出现术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

实施例1，

本实施例公开一种雷电综合探测预警系统，包括大气电场探测模块1、气象雷达模块2和系统模块。

其中，大气电场探测模块1用于探测特定区域内雷电云的至少包含有电场数据的特征值a；气象雷达模块2用于探测特定区域内雷电云的至少包含有地理位置数据的特征值b；系统模块用于连接大气电场探测模块1和气象雷达模块2且通过接收到的特征值a与特征值b结合形成雷电预警信息。

其中的特征值a与特征值b是两个特征值集合，包含有多种不同的参数值。例如气象雷达模块2，其检测一个周期后得到的特征值b中包含有特定区域内的云层密度、云层体积大小、云层流速、云层的空间位置等，而大气电场探测模块1得到的特征值a中不仅包含有电场强度，同时还包含有电场强度变化率等数值，同时通过设置有多个模块可同步精确检测。

其中的气象雷达模块2能够通过电磁波探测云层的位置、密度和高度，同时还能够对其流速、运动方向和运动轨迹进行探测，其主要原理是通过周向旋转并以一定的仰角的天线进行扫描，当电磁波遇到云层发生散射时，通过散射回来的信号进行数据分析，从而形成以带有坐标系的该区域地图为背景的云层模拟图。

气象雷达无法知道该区域内的云层实际状态，但是系统会根据其密度和大小来判断可能出现雷电云的可能性，当其达到设定的阈值后进行预警。许多气象雷达和预测设备大都设置在人员密度较大的区域内，对于一些户外的设施或区域，在没有设置气象雷达的位置，仅能通过卫星或附近的气象雷达进行大概的预测和判断，而不精准的预警会影响区域内一些特定设施的正常运行。

因为一旦确定可能会出现雷电，但不知道准确的发生位置和发生时间，则需要对该区域内的所有设施进行调控，特别是一些石油生产或运输设备，需要停机并采取严密的防雷措施，当雷电预警消除后才能恢复正常。本实施例提供一种移动式的户外雷电综合探测系统，相较于现有的大气电场仪，其精度较高，且能够准确获取到雷电云的位置和大小，从而做出准确的判断。其中所包含的大气电场探测模块1是一种感应器，利用导体在电场中产生感应电荷的原理来测量电场的特征值。而在本设备中则是针对雷电云进行特征值a的检测，其中必然包含有该区域内的电场值。

在本实施例中，气象雷达模块2覆盖c波段、x波段、k波段和u波段。

实施例2：

本实施例公开一种雷电综合探测预警系统，其包括支架3和设置在支架3上的大气电场探测模块1、气象雷达模块2和系统模块。

大气电场探测模块1和气象雷达模块2通过设有的支架3形成一体式结构，支架3上设有安装座4，所述安装座4上设有多个大气电场探测模块1。

其中，本实施例中的支架3结构如图1和图2所示，其中气象雷达模块2设置在最顶部，采用圆盘状的绝缘保护壳进行保护，而在气象雷达模块2下面设有风向和风速检测传感模块，而下面还设有带有四个连接孔的安装座4。

系统模块包括设置在支架3上的控制组件5和与控制组件5远程通信连接的服务器，所述大气电场探测模块1、气象雷达模块2和控制组件5由设置在支架3上的太阳能电池组6供电。

安装座4套设在支架3的杆件上，并在周向四个90°等分的方向上各设有一个安装孔，并在安装孔内插设有l形连接杆。在l形连接杆端部则设有一个大气电场探测模块1，大气电场探测模块1尺寸小于气象雷达模块2，其中集成有天线用于收发信号，同时通过将连接线内置在l形连接杆内从而与下方的控制组件5连接。

控制组件5设置在电气箱中，并通过安装架固定在支架3的底盘上，而在电气箱的另一侧设有太阳能电池板，用于给整个设备提供电能。也就是说，本实施例中的设备是完全设置在户外的可移动的模块化设备，可根据需求在支架3上设有多种功能模块。

值得说明的是，本实施例中的气象雷达模块2为k波段。

且因为采用k波段的气象雷达，同时采用太阳能电池组6进行供电，则当所述大气电场探测模块1检测到的电场数据超过阈值后所述系统模块控制所述气象雷达模块2启动并进行至少一个周期的扫描

支架3上还设有与控制组件5连接的风速风向测试模块、温度检测单元、湿度检测单元、雾霾检测单元、雷电声音检测单元和雷电磁场检测单元。

本系统的具体探测预警方法如下：

首先将支架3假设在特定区域a中，并将特定区域a的带有坐标系的地图模块设置在服务器中。而根据特定区域a的实际面积大小和地形情况，可在分为多个检测区块，并在每个区块上单独设有带有大气电场探测模块1的支架3，并同时将数据传输至服务器中。单多个区域内可只设置一个带有气象雷达模块2的系统。

然后通过每个支架3上设有控制组件5控制所述大气电场探测模块1进行实时监测，当特征值a中的至少一项数值超过预设阈值后便开启气象雷达模块2工作；当气象雷达模块2完成一个周期的扫描并将特征值b发送至控制组件5后，控制组件5将实时的特征值a与特征值b发送至服务器中。

值得说明的是，其中因为在多个区块内设有一个气象雷达模块2，则由服务器判断，一旦整个特定区域a内任一区块上的大气电场探测模块1的特征值a超过阈值，则开启距离最近的气象雷达模块2进行探测，并将合成的带有地形背景的覆盖图发送至客户端中进行预警。

服务器先将特征值a与地图模块合成电场覆盖图，并将特征值a转化成云层图像并叠加在电场覆盖图中，并将带有电场覆盖图与云层图像中的重叠区域作为预警区域进行预警。

本实施例中的雷达的探测半径超过100公里，因为使用k波段，则天线小，探测距离30km，可以嵌入安装到支架3的立柱上，有很强的探测雷暴云能力。

目前的主流雷达是双偏振多普勒天气雷达，常用的波段有s、c和x三种波段，探测效果s波段最好，c波段次之，x波段稍差。建设成本s波段最贵、x波段最便宜，c波段的价格中等。利用雷达探测雷电的优势：雷达可以监测大范围雷暴的强弱和移动，因而雷达具有预测“雷电发生区域”的能力，优于闪电定位仪。

而具体的雷达识别方法，是采用dbscan(density-basedspatialclusteringofapplicationswithnoise)算法识别雷暴，该方法具有以下多个特点：

雷达数据格点化处理：形成直角坐标系下的三维网格回波数据，空间分辨率1km×1km×1km；

基于gonzalez等提出的自动阈值技术选择合适的七层识别阈值:

初始阈值(30dbz)，后六层阈值(35、40、45、50、55、60dbz)

其中对于特征核心的提取，主要是保留内部最高反射率因子阈值识别的雷暴分量，而包含最高反射率因子核心雷暴分量的所有较低反射率因子雷暴分量被丢弃。

垂直关联所有二维雷暴分量以构建三维雷暴单体，计算等高面h上的一个雷暴提取分量质心与等高面h-1上的每个雷暴分量质心之间的水平距离，关联其中质心水平距离最小且水平距离小于7.5km的两个雷暴分量。将等高面h上的所有满足条件雷暴分量与等高面h-1上的雷暴分量相关联之后，剔除其余不关联的虚假雷暴分量。计算所有雷暴单体的特征量，并对每个雷暴单体进行垂直投影，存储为反射率因子多边形区域，则该区域即为雷电云的云层图像。

本发明不局限于上述可选的实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品。上述具体实施方式不应理解成对本发明的保护范围的限制，本发明的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。