雷电射频偏振干涉成像系统

本发明涉及气象学、大气电学和空间科学，尤其涉及一种雷电射频偏振干涉成像系统。

背景技术：

1、雷电是大气电磁活动中的重要现象之一，对气象学、大气电学和空间科学等领域具有重要意义。雷电甚高频干涉成像技术可以解析雷电辐射电磁波信号，提供高分辨率雷电放电辐射源的射频图像，是了解雷电放电通道发展特性的重要方法，但是如何获得雷电放电通道的电磁辐射偏振特性仍缺乏方法。

2、电磁辐射偏振特性反映电磁波的振动方向，在雷电不同的激发机制情况下，不同类型的雷电放电可能会表现出不同的偏振特性。在捕捉到雷电通道放电辐射源图像信息基础上，通过测量雷电辐射的偏振状态，可以获得关于放电辐射源产生电磁波的额外信息，如振动方向和波动性质，这对深入研究雷电的发生机制和活动性质非常有帮助。因此，针对雷电甚高频辐射源研究高分辨率的偏振干涉成像方法，对深入理解雷电的发生机制和过程，研究雷暴云的内部结构和电场分布有重要的科学意义。

3、shao et a l.2018引入射电天文偏振探测天线开展雷电干涉成像，全部天线为正交偏振探测天线，当上述正交偏振天线数目较多时，信号通道数目多，采集设备需进行的运算量较大。

4、因此，基于上述技术问题，本领域的技术人员亟需研发一种雷电射频偏振干涉成像系统及方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种雷电射频偏振干涉成像系统，该系统不仅可以获取雷电辐射源的时间和空间信息，还可以获得雷电电磁辐射的强度，时频特征、偏振状态等多维度信息。

2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明的一种雷电射频偏振干涉成像系统，该系统包括：

4、两个正交水平极化偶极子天线，所述正交水平极化偶极子天线分别连接有水平极化信号调理器；

5、至少三个盘锥形式垂直极化天线，所述盘锥形式垂直极化天线分别连接有垂直极化信号调理器；以及

6、射频信号高速数据采集与处理器、低频信号高速数据采集与处理器、高精度gnss授时时钟单元；

7、所述水平极化信号调理器通过相同长度和频响特性的射频电缆线与所述射频信号高速数据采集与处理器的通道信号输入端口连接；

8、所述垂直极化信号调理器通过相同长度和频响特性的射频电缆线与所述射频信号高速数据采集与处理器的通道信号输入端口连接；

9、所述低频信号高速数据采集与处理器连接有快电场变化测量仪和慢电场变化测量仪；

10、所述高精度gnss授时时钟单元具有gnss天线，所述高精度gnss授时时钟单元与所述低频信号高速数据采集与处理器、和所述射频信号高速数据采集与处理器均连接。

11、进一步的，所述水平极化信号调理器由巴伦、限幅器、多级低噪声放大器、lc带通滤波器和偏置器组成；

12、所述正交水平极化偶极子天线向所述水平极化信号调理器输出平衡信号，且该平衡信号经所述巴伦转换为单端信号，然后经过由二极管构成的限幅电路将信号电平限制为±0.6v范围内；

13、所述限幅器的输出接入所述低噪声放大器以进行一级放大，然后经过lc带通滤波器将信号限制在所需的探测频段内；

14、所述水平极化偶极子天线用于捕捉雷电水平极化电磁辐射信号，其从全天空中接收雷电放电产生的信号，并用于分析电磁信号的偏振情况。

15、进一步的，所述垂直极化信号调理器由巴伦、限幅器、多级低噪声放大器、lc带通滤波器和偏置器组成；

16、所述盘锥形式垂直极化天线输出单端信号，然后经过由二极管构成的限幅电路将信号电频限制为±0.6v范围内；

17、所述限幅器的输出接入所述低噪声放大器以进行一级放大，然后经过lc带通滤波器将信号限制在所需的探测频段内；

18、所述垂直极化偶极子天线用于捕捉雷电垂直极化电磁辐射信号，用于反演计算雷电辐射源的电磁波入射角度，并与所述水平极化天线共同反演计算雷电辐射源的电磁波偏振特性。

19、进一步的，所述快电场变化测量仪和慢电场变化测量仪均通过信号电缆线连接至所述低频信号高速数据采集与处理器的通道信号输入端口；

20、所述快电场变化测量仪和慢电场变化测量仪用以捕捉电场变化信号，且该电场变化信号用于触发射频信号的同步采集。

21、进一步的，所述低频信号高速数据采集与处理器通过触发信号电缆线与所述射频信号高速数据采集与处理器的触发信号输入端口连接；

22、所述低频信号高速数据采集与处理器通过触发信号电缆线与所述高精度gnss授时时钟单元的触发时间信号输出端口相连。

23、进一步的，所述高精度gnss授时时钟单元输出的触发时间基准信号电缆线与所述低频信号高速数据采集与处理器的触发时间基准信号输入端口相连；

24、所述高精度gnss授时时钟单元输出的触发时间基准信号电缆线与所述射频信号高速数据采集与处理器的触发时间基准信号输入端口相连。

25、在上述技术方案中，本发明提供的一种雷电射频偏振干涉成像系统，具有以下有益效果：

26、本发明的系统不仅可以获取雷电辐射源的时间和空间信息，还可以获得雷电电磁辐射的强度、时频特征、偏振状态等多维度信息。此外，系统集成了快电场变化和慢电场变化的同步触发记录，有助于有效区分雷电和环境噪声干扰，多频段信号协同探测也提供了多角度研究雷电放电过程的数据支撑。这一高度一体化的雷电甚高频偏振干涉成像系统为雷电监测和成像提供了强大工具，有助于深入了解雷电放电的物理过程，可用于广泛的雷电研究应用。

技术特征：

1.雷电射频偏振干涉成像系统，其特征在于，该系统包括：

2.根据权利要求1所述的雷电射频偏振干涉成像系统，其特征在于，所述水平极化信号调理器(102)由巴伦、限幅器、多级低噪声放大器、lc带通滤波器和偏置器组成；

3.根据权利要求1所述的雷电射频偏振干涉成像系统，其特征在于，所述垂直极化信号调理器(201)由巴伦、限幅器、多级低噪声放大器、lc带通滤波器和偏置器组成；

4.根据权利要求1所述的雷电射频偏振干涉成像系统，其特征在于，所述快电场变化测量仪(401)和慢电场变化测量仪(402)均通过信号电缆线连接至所述低频信号高速数据采集与处理器(4)的通道信号输入端口；

5.根据权利要求1所述的雷电射频偏振干涉成像系统，其特征在于，所述低频信号高速数据采集与处理器(4)通过触发信号电缆线与所述射频信号高速数据采集与处理器(3)的触发信号输入端口连接；

6.根据权利要求5所述的雷电射频偏振干涉成像系统，其特征在于，所述高精度gnss授时时钟单元(5)输出的触发时间基准信号电缆线与所述低频信号高速数据采集与处理器(4)的触发时间基准信号输入端口相连；

技术总结
本发明公开了一种雷电射频偏振干涉成像系统，包括两个正交水平极化偶极子天线，正交水平极化偶极子天线分别连接有水平极化信号调理器；至少三个盘锥形式垂直极化天线，盘锥形式垂直极化天线分别连接有垂直极化信号调理器；快电场变化测量仪和慢电场变化测量仪；以及射频信号高速数据采集与处理器、低频信号高速数据采集与处理器、高精度GNSS授时时钟单元。本发明的系统不仅可以获取雷电辐射源的时间和空间信息，还可以获得雷电电磁辐射的强度、时频特征、偏振状态等多维度信息。

技术研发人员：孙竹玲,郄秀书,刘明远,王东方,袁善锋
受保护的技术使用者：中国科学院大气物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/2/6