（测试计量技术及仪器专业论文）雷电的声、光信号监测及定位研究.pdf

浙江大学硕士论文 摘要 雷电监测定位技术作为雷电监测、防护和研究等的基础，以探测闪电的各项物理参 数，确定闪电发生位置为基本任务，在军事气象、电力、航空、林业、盐场等部门或 领域都有巨大的实际应用价值，是服务于全社会，急需大力发展的门技术。 本论文研究了主要利用光学方法的地基雷电监测方案。通过研究和分析雷电发生时 各物理量的统计特征，设计了利用闪电的光强脉冲信号来触发，连续采集光强、场强和 雷声信号，并通过光强和雷声信号计算闪电发生的距离：利用g p s 定位信息、电子罗 盘的指北功能和鱼眼镜头的超半球成像功能来确定闪电水平和空间方位角的方案。对各 探测模块进行了详细的硬件电路设计和软件编写，并对系统功能进行了实验验证。 为了获得闪电的各项物理信号参数，设计了基于a d l i n k 2 0 1 0 数据采集卡的信号采 集方案。该方案可以通过不同的软件设置方式以最高2 m s s 的速率同步采集四路信号， 并可选择多种触发方式和触发源。光强采集电路为满足采样要求设计了四档量程自动切 换，同时输出量程信号和光强转换后电压信号。信号采集时间和频率均可通过软件进行 设置，采集后的数据实时显示并保存。 为本系统建立了闪电方位信号计算的理论模型。通过g p s 定位功能和电子罗盘的 方向指示功能，结合鱼眼镜头的全视场成像，可以全天候全方位定位闪电。由电子罗盘 和鱼眼镜头的位置关系，结合c c d 采集闪电的图像计算闪电水平方位；由鱼眼镜头进 行标定后确立的方程计算闪电的俯仰角。并对上述理论和方案进行了模拟实验，实验中 取无穷远处太阳为目标，对太阳进行实时监测，由系统计算测得的太阳俯仰角与其实际 高度角相吻合。 为模拟闪电发生过程中系统工作状况，设计了验证实验，在不同背景光强下，当光 强发生突变时系统能实时触发工作，记录卜- 光强变化和图片，达到了设计要求。 研制成一体化、小型化的雷电实时定位装置，且利用光学方法只需单站即可精确定 位，可方便气象等部门布置监测网络。 关键词：闪电监测，地基，g p s ，鱼眼镜头，超半球成像，c c d 浙江大学硕上论文 a b s t r a e t l i g h t n i n gd e t e c t i o na n do r i e n t a t i o nt e c h n i q u e sa r e t h em o s ti m p o r t a n tb a s e m e n to f l i g h t n i n gw a r n i n g ，p r o t e c t i o n ，r e s e a r c ha n dt h e i rm o n i t o r i n g t h ef i r s tj o bi st od e t e c tt h e v o l t a g e ，e l e c t r o m a g n e t i s ma n dl i g h tr a d i a t i o no ft h el i g h t n i n gd i s c h a r g e sa n di t sd i s t r i b u t i o n t h e r e r eg r e a ti n t e r e s ti nt h ef i e l do fm i l i t a r y , w e a t h e r , e l e c t r i c ，a v i a t i o n ，b o u l e v a r da n ds a l t f i e l d ，e t c s ot h e s et e c h n i q u e ss h o u l db ed e v e l o p e du r g e n t l yf o rt h eb e n e f i to f a l lt h es o c i e t y a nu p p e rl i g h t n i n gd e t e c t i n gt h e o r yp r i m a r yb a s e do no p t i c a lm e a n sa r ei n v e s t i g a t e di n t h i st h e s i s b a s e do i lt h es t a t i s t i c a lf e a t u r eo fl i g h t n i n gd i s c h a r g e ，ad e t a i l e dp r o j e c tw a sg i v e n , w h i c hc a l c u l a t et h ed i s t a n c eo ft h el i g h t n i n gt h r o u g ht h et i m ei n t e r v a lb e t w e a nu g h ta n d s o u n ds i g n a lt h a tc o n t i n u o u sa c q u i r e db yt h ed a qc a r dw i t hl i g h tp u l s ea st h et r i g g e rs o l l r p ， a n dw ec o m b i n e dt h eg p si n f o r m a t i o n , n o r t h - d i r e c tf u n c t i o no f t h ee l e c t r i c a lc o m p a s sa n dt h e w i d ea n g l ef i e l do ff i s h e y el e n st oc o n f i r mt h eh o r i z o n t a la n dd i m e n s i o n a la n g l eo ft h e l i g h t n i n g t h eh a r d w a r ed e s i g na n dt h es o f t w a r ec o m p i l ea r eg i v e nt o o t h ev a l i d a t e e x p e r i m e n tw a si m p l e m e n t e da f t e rt h a t f o rt h ea c q u i s i t i o no fp h y s i c a lp a r a m e t e r so ft h el i g h t n i n g ，as c h e m eb a s e do na d l i n k d a q - 2 0 1 0w a sd e s i g n e d ，w h i c hc a r ls a m p l ef o u rc h a n n e l ss i m u l t a n e o u s l yu pt o2 m s sa n d t h et r i g g e rs o u r c ea n dt r i g g e rm o d ec a ns e l e c t e d t h el i g h tr a d i a t i o nd e t e c t i o nc i r c u i ti s d e s i g n e dw i t l lf o u rm a g n i f yo r d e rw h i c hc h a n g e da u t o m a t i c t h ea c q u i s i t i o nt i m ea n d 行e q u e n c yo f e a c hs i g n a lc a na l t e rb ys o f t w a r ea n dt h ed a t aw i l ls h o ws y n c h r o n o u s i nt h ed i s s e r t a t i o n , t h el i g h t n i n go r i e n t a t i o n c a l c u l a t i n g m o d e lo ft h es y s t e mi s e s t a b l i s h e d t h eh o r i z o n t a lo r i e n t a t i o no ft h el i g i l t n i n gi sd e c i d e db yt h ep o s i t i o nb e t w e e n c o m p a s sa n df i s h e y el e n s t h ed i m e n s i o n a lo r i e n t a t i o ni sd e c i d e db yt h ef i s h e y el e n sw h i c h s h o u l db ep r e c i s e l yd e m a r c a t e d t ot e s t i f yt h em o d e lw ed e t e c ts u na st h ei n f i n i t et a r g e t t h e r e s u l t sm a t c hw e l l t h es y s t e mc a nt r i g g e rw h e nt h er a d i a t i o no fl i g h tc h a n g e da n da c c o r dt h ec h a n g i n g p i c t u r ew h i c hp r o v et h er e l i a b i l i t yo f t h et h e o r y am i n i a t u r i z e ds m a l ll i g h t n i n gd e t e c t i o na n do r i e n t a t i o ns y s t e mw a sd e v e l o p e d a n di t n 浙江大学硕l ：论文 c a nl o c a t et h el i g h t n i n gw i t ho n l yo n es i n g l es t a t i o nw i t ht h eo p t i c a lt h e o r y , w h i c hc o n v e n i e n t f o rt h ew e a t h e rb u r e a ut od i s p o s a lt h ed e t e c t i o nn e t w o r k k e yw o r d s ：l i g h t n i n gd e t e c t , u p p e r , g p s ，f i s h e y el e n s ，w i d ef i e l da n g l e ，c c d n l 浙江大学硕士论文 第一章绪论 1 1 雷电定位的研究意义 雷电作为一种自然灾害，一直对人类生存构成危害，它位列联合国制订的国际减灾 防灾规划中l o 项自然灾害的第9 项，它虽不及水灾、旱灾、地震等自然灾害那样造成 大规模的人员伤亡和财产损失，但其危害在全球范围内普遍存在，特别在有些地区非常 频繁，是不容忽视的。 雷暴天气常常伴随暴雨、大风、冰雹等，给军事、民用部门造成极大的危害。1 9 8 7 年6 月9 日，一颗美国海军通信卫星发射升空后遭雷击，控制火箭姿态的计算机程序受 破坏，火箭随即引爆自毁，损失达i 7 亿美元。1 9 8 9 年8 月1 2 日，我国青岛的黄岛油 库遭雷击起火，大火持续几天几夜，伤亡1 0 0 多人、直接和间接经济损失超过1 2 亿元。 军事、气象、电力、航空、林业、盐场等部门都迫切需要专用仪器监测雷电的发生、发 展趋势、消失过程，以能够在雷暴来临之前向可能受到影响的地区和部门发出警报，航 天部门可以推迟火箭发射，航空部门延缓或改变飞行计划和路线，停止给飞机加油，军 事部门中止加装燃料，停止导弹发射等，林业、电力部门可以迅速判断可能发生事故的 地点。 雷电监测定位系统在雷电的监测、研究以及防护等领域处于极其核心的位置。首先， 通过遥测方式能大范围、较准确地获得雷电的物理参数，提供给雷电科学工作者进一步 研究雷电的放电特性和其它的微观物理过程，也为深刻认识和防护雷电提供了科学的依 据。 第二方面，通过实时监测雷电的发生、发展、消亡情况和移动方向及其它活动特性， 对些重点目标给出类似于台风的监测预报，使雷电造成的损失降到最低点。 第三方面，雷电往往和暴雨、飓风、冰雹等强对流天气现象紧密联系在一起，监测 雷电活动的方位、频度、强度等对于监测、预报上述灾害性天气，也是极其重要的。 第四方面，雷电的髓测及准确定位在森林雷击火灾的定点监测、火箭卫星发射场附 件的雷电预警、电力系统的雷电故障点巡查等方面部有很高的经济效益和实际运用价 值。目前，几乎所有的发达国家和地区都建立了伞圉或地区性的雷电监测网络，我国相 浙江大学硕t 论文 对落后，还没有全国性的统一雷电监测网络，迫切需要加强雷电监测方面的研究，世界 各国也都相当重视雷电监测定位新技术的研究和应用m2 1 。 1 2 闪电的放电过程和描述参量 要想设计和研究雷电监测定位系统，首先必须了解闪电的机理，下面对闪电的具体 形成过程和相关物理参量进行简要叙述。 1 2 1 闪电的分类 自然界中的闪电可以细分为： ( 1 ) 云闪：云对云、云内放电； ( 2 ) 云地闪：云对地的放电； ( 3 ) 诱发闪电：人工引雷所形成的闪电； ( 4 ) 球闪：球状闪电，极地滚闪。 在所有的闪电中，云地闪对地面目标的危害最大，是我们研究和监测的重点，同时 它也是电力、森林防火等领域研究的重要方面。 1 2 2 闪电的放电过程 以云地闪的放电过程为例，闪电的放电过程如下： ：塑辈 a ) 起始 击穿 ( 初期) b ) 起始 击穿 ( 后期) 7 再f 石 图1 1 闪电放电过程示意图 次 浙江大学硕士论文 云层电荷形成电分布一初始击穿一梯级先导一联接过程一第一回击一k 过程一j 过 程一直窜先导一第二回击。 ( 1 ) 闪电的初始击穿：在图l 一1 中，通常在含云大气开始击穿的初期，在积雨云 的下部有一负荷电中心与其底部的正电荷中心附件局部地区的大气电场达到1 0 4 v c m 左 右时，则该云雾大气会初始击穿，负电荷向下中和掉正电荷，这时从云下部到云底部全 部为负电荷区。 ( 2 ) 梯级先导过程：随大气电场进一步加强，进入起始击穿的后期，这时电子与 空气分子发生碰撞，产生轻度的电离，从而形成负电荷向下发展的流光，表现为一条暗 淡的光柱向梯级一样逐级伸向地面，这称之为梯级先导。在每一梯级的顶端发出较亮的 光。 ( 3 ) 电离通道：梯级先导向下发展的过程是一电离过程，在电离过程中生成成对 的正、负离子，其正离子被由云中向下输送的负电荷不断中和，从而形成一个负电荷( 对 负地闪) 为主的通道，称为电离通道或闪电通道。 ( 4 ) 回击：当梯级先导与连接先导会合，形成一股明亮的光柱，沿着梯式先导形 成的电离通道由地面高速冲向云中，这称为回击。回击比先导亮得多。回击具有较强的 放电电流，峰值电流强度可达1 0 4 a 量级。因而发出耀眼的光亮。由梯级先导到回击这 一完整的过程称为第一闪击。从地面向上发展起来的反向放电，不仅具有电晕放电，还 具有强的正流光，它与向下先导会合，其会合点称连接点，有时称之为“连接先导”的 向上流光。 ( 5 ) 箭式( 直窜或随后) 先导：紧接着第一闪击之后，约经过几十毫秒的时间间 隔，形成第二闪击，这时又有一条平均长为5 0 m 的暗淡光柱，沿着第一闪击的路径由云 中直奔地面，这种流光称为箭式先导。箭式先导是沿着预先电离了的路径通过的，它没 有梯式先导的梯级结构。当箭式先导到达地面附件时，又产生向上发展的流光由地面与 其会合，随即产生向上回击，以一股明亮的光柱沿着箭式先导的路径由地面高速驰向云 中。由箭式先导到回击这一完整的放电过程称为第二闪击，第二闪击的基本特征与第一 闪击是相同的，而以后各次闪击的情况与第二闪击的情况基本相同。 由一次闪击构成的地闪称为单闲击地闪，由多次闪击构成的地闪称为多闪击地闪， 第次闪击后的各闪击称为随后闪击。 浙江大学硕 论文 1 2 3 闪电放电过程的描述参量 l 闪电放电时间与回击放电的时间： 每次闪电的持续时问主要由回击数决定，闪电持续的时问一般在1 秒以内，平均在 0 2 秒左右。一个回击的持续时闻一般小于0 1 毫秒，回击和回击之闯时问间隔一般为 3 3 8 0 毫秒，平均值是5 0 7 0 毫秒。 雷电定位系统所测定的闪电发生时间是般指回击放电产生的光脉冲的第一个峰 值到达探测站的时间，它等于回击发生的时刻加上传播时延。本系统同时记录此时间后 的所有回击脉冲时间。 2 闪电的回击数： 通常一次地闪由2 到4 次闪击构成，一般超过l o 个回击的闪电数量很少，个别地 闪的闪击数可达2 6 次之多。 本定位系统所测定的闪电回击数，是根据每次闪电事件中光强脉冲数目统计的。 3 雷电发生的位置： 闪电通道长度一般有几公里，但有时也有长约十几公里的，通道一般不垂直于地面， 但地闪回击发生时刻的通道一般只有几百米，几乎垂直于地面。本系统所测定的回击位 置是取接近于地面的一段回击通道在地面上的投影位置。 4 雷电盼光强： 闪电的辐射能量虽然横跨无线电频域和x 射线，但不是均匀分布的，而是由几个辐 射峰值组成，在可见光及近红外光谱范围内辐射能量最为集中。其中在中性氧( 7 7 7 4 n m ) 和中性氮( 8 6 8 3 n m ) 波长处的辐射最强，在波长为7 7 7 4 n m 处的辐射能量约为6 ，5 u j m 4 s r 。 各自包括了整个辐射光谱的5 1 0 的能量1 。 1 3 雷电探测技术发展概况 现代雷电监测定位系统起源于1 9 7 6 年美国人k r i d e r e p 等人成功地对原双阴极示波 器闪电探测仪的改进，在此基础上研制出了磁方向闪电定位系统，其产品最初应用于美 国国家航空航天局( n a s a ) 航天发射场。八十年代初期又发展了云地闪波形鉴别技术， 浙江大学硕士论文 使云地闪探测准确率提高到9 0 以上。八十年代中期，美国大气科学研究公司研制成功 时差法雷电定位系统，1 9 8 6 年形成产品，并在美国东部布网。8 0 年代中期以后国外的 雷电监测定位技术发展很快，不断引入新的技术手段和方法，如全球定位系统( g p s ) 用于时差法定位的时间同步；数字信号处理技术用于闪电回击波形的数字分析；卫星通 信用于探测仪与中心站点之间的高速数据传输等。这些新技术的应用使雷电探测精度和 定位精度不断提高。鉴于雷电监测定位技术的重要应用价值，目前世界主要发达国家如 美国、英国、日本等都已经建立了覆盖全国地域范围的雷击监测定位网，较好地实现资 源共享，使这项技术更好地服务于社会各行各业。 我国研制雷电监测定位系统起步于“七五”期间，在消化吸收从美国引进的产品的 基础上加以改进，自主研制实用的雷击监测定位系统。中科院、空间应用中心、信息产 业部电子第二十二研究所、中国科技大学、武汉高压所等单位于八十年代中后期先后开 始研制雷电探测系统，并逐渐形成了有自己特点的产品。 综上所述，雷电定位研究方向主要分为两类：地基电磁探测方案和星载光学探测方 案。前者应用比较普遍，主要分基于v h f 频段和l f 频段的探测设备，后者国外的系统有 t h ei m a g i n gs e n s o “l 1 s ) ，t h eo p t i c a lt r a n s i e n td e t e c t o r ( o t d ) ，t h el i g h t i n gm a p p e r s e n s o r ( l m s ) 等n 2 ，9 。1 ”。 1 3 1 地基雷电定位技术 闪电电磁脉冲辐射场探测手段在地基闪电定位技术上的应用最为广泛。甚低频段一 般采用磁向法( m d f ) 、时差法( t o a ) 以及磁向和时间差联合法( 1 m p a c t ) ；甚高频 段一般采用窄带干涉仪定位法( i t f ) 或者时差法( t o a ) 。从探测站点布设方式上可分 为单站定位和多点联合定位。 ( i ) 甚低频( v l f ，l f ) 定位技术： v l f l f 频段的m d f 定位技术采用一对南北方向和东西方向垂直放置的正交环磁 场天线测量闪电发生的方位角，并与水平放置的电场天线组合鉴别地闪波形特征。利用 两个或两个以上探测子站测量的闪电方位角进行交汇，来确定闪电发生点的平面位置。 v l f l f 频段m d f 采用方位角交汇法所提供的测向精度受测站附近的地形地物影响较 大，对天线安装的环境要求也较高，因此它的实际探测精度不高。 浙江大学硕士论文 v l f l f 的t o a 技术采用闪电电磁脉冲到达不同测站的时间差进行闪电定位，由于 t o a 采用的天线简单，且通过测定闪电回击辐射场到达测站的精确时间，或到达不同测 站的时间差，从而避免了m d f 固有的随闪电离测站距离误差线性增大的缺点。但它对 测时精度的要求较高，且至少要3 站才有可能定位，同时由于回击波形峰值点随传播路 径和距离的不同可能发生漂移和畸变。 为改进定位精度，将m d f 和t o a 两种技术结合在一起发展成了联合闪电定位法， 采用这种综合探测技术的闪电定位系统的每个探测子站既探测回击发生的方位角，又测 定回击电磁脉冲到达的精确时间。中心站将根据每个闪电探测子站测到闪电的方位和到 达时间差数据，进行不同组合的联合定位。具有这两种定位方法的闪电定位系统在不增 加探测子站数目的前提下，保证了较高的定位精度，是目前比较实用的闪电定位技术。 ( 2 ) 地基甚高频( f ) 定位技术： 由于v l f l f 探测技术难以提供闪电通道快速发展过程的信息，2 0 世纪7 0 年代后 半期，科学家们又提出并实践了v h f t o a ( 时差技术) 和v h f i f t ( 干涉技术) 。 v h f i f t 闪电定位技术是指用干涉法测定闪电放电辐射源位置的方法，包括窄带和 宽带两种方法。v h f i f t 技术般采用有足够波程差的若干个接受天线振子，当来波从 不同的方位到达天线阵时，各个振子上接受到的信号将产生不同的相位差，测定这些相 位差原则上即能确定来波相对于天线阵的方位。 v h f t o a 技术时低频t o a 定位法在v h f 闪电辐射源三位空间定位上的扩展，特 别随着g p s 技术的发展和成熟，这种定位技术得到了进一步发展。该技术一般采用窄 带甚高频长基线时差法，对每一个闪电辐射源能以很高的时间分辨率( 5 0 n s ) 和空间定 位精度( 5 0 1 0 0 m ) 进行定位，可以展现闪电放电v h f 辐射源的三维时空演变过程， 同时利用与低频闪电定位系统集成的方式进行云闪和地闪的综合探测。 相对于v h f t o a ，v h f f l f t 对时间同步的要求略低一些，对信号强度的要求也低一 些。但它的一个测站具有多个天线，安装要求较高。其观测数据要经过比较复杂的处理， 而不像t o a 技术那么简单直接。经过试验研究发现，v h f t o a 技术对闪电产生的孤立 脉冲的定位具有优势，而v h f 1 f t 技术对闪电产生的连续脉冲的定位则更好一些1 9 ，m ， i 4 - 1 8 。 浙江大学硕士论文 i 3 2 星载雷电探测、定位技术 光学闪电探测手段： 2 0 实际9 0 年代以来，随着电子、信息技术的迅猛发展，在分析了2 0 世纪8 0 年代 高空n a s au 2 飞机得到的大量闪电光观测资料以及其他研究结果的基础上，人们对云 项闪电光学辐射的时空特征及光谱特性有了更新的认识，研制了新一带更精确、更高效 的星载闪电探测器并发射入轨运行，包括n a s a 发展的光学瞬态探测器( o t d ) 和闪电 成像传感器( l i s ) ，l o s a l a m o s 实验室的f a s t o i l o r b i t r e c o r d i n g o f t r a n s i e n t ( f o r t e ) 卫星闪电探测器。 o t d l i s 是n a s a 研制的光学闪电探测系统，两系统相似，均搭载在极轨非太阳同 步卫星上，垂直向下观测雷暴云中闪电发出的强烈光脉冲，结合一个窄带干涉滤光器将 影像聚焦在高速( 5 0 0 帧s ) ，1 2 8 1 2 8 像素的c c d 焦平面上。干涉滤光器的中心波长为 7 7 7 4 n m ，最大半宽为0 8 5 6 n m 。0 t d l i s 可以给出闪电发生的时闻、经纬度、闪电光辐 射能、持续时间等信息。表1 给出了0 t 0 l i s 各种特性的比较。迅速发展的卫星观测技 术给全球雷电活动的研究带来了新的推动力，利用这些资料可以给出全球闪电的时空分 布图。目前国外正在规划和研究将闪电光学成像感应器放到静止卫星平台上进行雷暴闪 电活动时空分布的连续监测。这种技术在灾害性雷暴闪电监测和预警上具有广阔的应用 前景“。”3 “。 表l 一10 t d 与l i s 各种特性比较 0 t dl l s 搭载卫星微实验卫( m i c r o l a b 1 )1 1 t m m 卫星 1 9 9 5 4 3 发射2 0 0 0 3 结束 运行时间9 7 11 2 8 发射2 0 0 1 8 升轨后运行至今 观测 轨道倾角和高度7 0 。，7 4 0 k m3 5 。，4 0 2 5 k m 视野 1 3 0 0 k m x1 3 0 0 k m6 6 7 k mx6 6 7 k m 空间分辨率 8 k m4 k m 浙江大学硕士论文 1 3 系统总体设计方案 依据雷电辐射出光、磁和声信号的特征，分析已有各种雷电监测系统，结合本学科 优势，本文提出了一种地基的，基于g p s 定位信息和超半球光学成像系统对闪电进行 监测定位的新方法，系统能够实时监测闪电事件的地理位置和光脉冲波形，有助于对气 候变化的研究和对雷暴的动态监测。 1 3 1 闪电经纬度测量原理 一次完整的闪电放电过程持续时间为几百毫秒到几秒钟不等，同时会向周围空间发 射出明显的声、光和电信号。本系统主要利用了闪电的声、光信号，同时电磁信号作为 辅助手段进行监测，测量闪电发生的地理位置信息即经纬度和光强脉冲、电磁脉冲以及 声音脉冲信号，并对信号进行分析和处理，从而分析闪电辐射特征。 首先利用g p s 定位模块获得n s 级的同步时钟信号和监测点的经度以、纬度、高 度信息，利用电子罗盘记录监测装置的水平方位信息。当闪电发生时，光脉冲信号首 先到达，触发系统采集动作，记录闪电的光强脉冲、电磁脉冲，声音脉冲以及闪电的图 片。 系统最重要和基本的功能是判断和记录闪电发生的位置，原理如下：由声音和光强 信号到达探测器的时间差血，可以得到下面的方程组： f 垃= ，一f ， 1340+，：tl。3los340 t1 0 ：工 【 + o = = 工 ( 卜一1 ) ( 1 2 ) 其中，是声音到达监测点的时间，t l 是光强到达监测点的时间，三是闪电与监测点 的距离。由该方程组可以求出闪电发生的位置距离监测点的距离。 浙江大学硕上论文 图1 2 闪电纬度示意图 厂 叔。 图1 3 闪电经度示意图 经度是地球上一个地点离一根被称为本初子午线的南北方向走线以东或以西的度 数。纬度是指某点与地球球心的连线和地球赤道面所成的线面角，其数值在0 至9 0 度之 间。图1 2 为闪电纬度示意图，b 点是地表监测点，其纬度为，可由g p s 探测模块 实时获得，a 点为闪电发生位置，其纬度设为w ，a 点相对于b 点的空中方位角是。图 卜一3 是闪电经度示意图，b 点经度为，。，同样可由g p s 模块实时获得。a 点相对于b 点 的经度为a ，。 x 光曩 芥 髫7 ；墨稍 八7雉心 图1 4 闪电与观测点的空间几何关系图1 5 闪电与观测点的平面几何关系 图1 4 描述了闪电发生地点a 与地面监测点b 的空闻几何关系。其中圆球为鱼眼 镜头，x y 甲面为监测点b 所在的水平面。则a b 与水平的夹角为口，a b 在水平面上 的投影与x 轴的夹角为0 。图l 一5 描述了闪电发生地点a 与地面监测点b 的平面坐标 关系，o 为地心。d ，e 分别为a 与地心连线与水平面和地球表面的交点。图中口与图 浙江大学硕士论文 1 4 中口等价，p 与图i 一2 中等价。图1 4 和图l 一5 中a b 的长度即公式1 2 中 的工，o e 即为地球的半径r ，由几何关系可以推导出z b o e 的计算公式 么脚：a r c c o s ( r + l s i n ，a ) 4 i r 2 + l 2 + 2 r l s i n a ( 1 3 ) r 。+ + 2 r s - n 岱 已知监测点b 的经度和纬度及高度信息，以及大弧b e 对应的角度，由球面三角形的 知识，可以推导获得e 点的经纬度，即闪电发生位置的经纬度“”，公式如下： s i l l ：s i n a r c c o $ ( s i n o c 。s ) 】s i n z b o e + a r e t g ! ! 旦妇 ( 1 4 ) c o s6 ， c 。s z b o e + a r c t g t g w 二o 】 扯撇o s 【- i 产卜a r c t g ( s i n v c o t g o ) ( 1 - - 5 ) 则闪电发生位置的经纬度可以获得，其中0 可由c c d 抓拍的闪电图像以及电子罗 盘所确定的系统的方位获得，将在第五章中具体叙述。 1 3 2 系统构成 根据本文提出的探测原理，我们设计了如图所示的系统架构。整个系统分三个部分： 数据采集模块、图像采集模块和g p s 卫星定位及电子罗盘模块。 鱼眼声音鱼眼 电子罗盘| ig p s 天线l 镜头接受镜头 i 单元探测和 音频放c c d 敞 前置放大 大 斟 篓 丑i 匹：3 | 匝 亩 酒 i 赢皿l 薅 肃 都 i 坤浩i 赤 赤 豇 豇 d 7弋、7 弋萝7 弋 如 7 x 、 l 工控机串口 l数据采集卡 1 图像采集卡i 工控机及相应软件i 图l 一4 系统组成 浙江大学硕上论文 本方案设计的主要思想是在地面监测，利用g p s 信息和光、声信号，舍弃复杂的电 磁波信号探测思路( 但仍然保留了电磁信号采集功能) ，尽量减小系统的体积和复杂度。 g p s 模块和电子罗盘能实时输出监测点的经纬度、时间、高度和方位；雷电声音和光强 探测模块能实时探测和采集雷声脉冲和光强脉冲；超半球成像系统能够拍摄闪电图像， 利用获得的这些数据能方便计算出闪电发生的位置和高度信息，和闪电发出各物理量的 波形，记录和分析闪电特征，并可以实现全天候监测1 2 0 】。 各探测模块在数据采集时独立工作，数据可通过终端计算机实时上传给远端的服务 器或事后根据收集到的信息，对信号的距离和方位进行计算。 1 数据采集模块 由数据采集卡、光强探测电路和声音探测电路以及电磁信号采集电路组成。负责采 集闪电的光强信号脉冲和声音信号脉冲和电磁信号。鱼眼镜头为1 9 5 。视场的超半球成 像系统，光强信号经过鱼眼镜头后由单元探测器件接受，经过前置放大输出模拟信号到 达信号采集卡1 通道( o 通道输入电路的量程信号) ，雷声信号由低灵敏度的麦克风接受， 经过滤除环境噪声、整形后输入到数据采集卡2 通道。数据采集卡由闪电光强脉冲信号 触发开始工作，随即开启采集，动作持续1 分钟，连续输出采集到的包含光强脉冲和声 音脉冲信号的数字序列，通过计算机软件提取闪电光强信号和声音信号脉冲的时间差可 以计算得到闪电距离监测点的距离，并可对信号进行傅立叶变换分析其频谱分布。 2 c c d 及图像采集卡模块 由鱼眼镜头、c c d 和图像采集卡组成。利用鱼眼镜头的超半球成像特性可直接对 闪电进行定位。系统可以实时采集图像，可对待测天空进行实时监视，闪电发生时采集 保存图片，由计算机软件对图像进行分析。通过对鱼眼镜头和c c d 组成的系统进行标 定获得的实验公式，可以由c c d 采集图像上闪电的像素点计算其空间方位角，由图片 上成像点和北向的夹角可以得到闪电的水平方向。 3 串口模块 i 扫g p s 模块和电子罗盘模块组成。g p s 模块能自动搜索卫星并获得全球定位系统的 卫星导航信息，以n e m a 0 18 3 语句将定位信息不断送出，当能同时接受到四颗及以上的 卫星信号时，就能获得监测点的三维坐标 i s ； 声音数据记录时间 6 0 s ： ( 4 ) 量化精度： 1 2 b i t 线性采集； 浙江大学硕士论文 1 4 本论文的研究成果 本论文的研究工作是为所承担的军工科研项目所作( 保密) 。在该项目进行过程中， 其中在高精度闪电监测系统的工程方案设计和制定中，本人提出了利用平面电子罗盘获 得系统水平方位、系统的软件架构以及对系统进行理论验证的实验方案。系统最终确定 由g p s 和电子罗盘组成方位基准模块、数据采集卡与各物理信号探测电路组成数据采 集模块、由鱼眼镜头、c c d 和图像采集卡组成图像采集模块的硬件设计方案。 在论文工作期间，本人独立完成了系统全部软件的编写( 见附件) ，包括：1 ) 对 提供定位基准的高精度g p s 定位模块和电子罗盘模块的驱动编写和信号解码；2 ) 对实 现物理信号采集功能的数据采集卡的不同工作方式驱动与切换以及采集数据的保存运 算；3 ) 对鱼眼镜头成像进行图像采集功能的图像采集卡的不同工作方式的驱动以及采 集图像的信息提取：4 ) 操作界面的设计以及闪电信息的保存、显示、回放等。所有程 序代码调试完成，并应用于硬件联调，运行成功且操作方便，用户界面友好。 在论文工作期间，本人还独立完成了鱼眼镜头和c c d 组成方位探测模块的标定和 理论模型建立，并以太阳为监测目标对模型进行了验证，实验结果与模型相符：设计了 系统功能验证实验，在不同背景光强下，系统能对瞬变光强响应并记录各物理信号，计 算出突变光强的方位。 基于上述各部分工作，已使整机可以进行模拟实验，完成闪电采集动作，并完成了 验证实验。因此，在本论文的工作基础上，使得该项目的主体部分已经基本完成。 浙江大学硕论文 第二章雷电信号方位信息的获取和处理 本章在介绍了g p s 的工作原理之后，着重介绍了本论文所完成的从g p s 模块实时 提取经度和纬度信息的程序设计，以及经纬度信息和电子罗盘输出的方位信息在雷电定 位中的应用原理。 在本章中介绍的论文研究工作包括：1 ) 利用计算机程序对g p s 模块和电子罗盘进 行软件驱动和信息提取；2 ) 雷电经纬度的算法实现： 2 1g p s 的工作原理 g p s 是全球定位系统( n a v i g a t i o ns a t e l l i t en m i n ga n dr a g i n g g l o b a lp o s i t i o ns y s t e m ) 的简称，是美国国防部于1 9 7 3 年1 1 月授权开始研制的海陆空三军共用的美国第二代卫 星导航系统，是美国继阿波罗登月飞船和航天飞机之后第三大航天工程。1 9 9 4 年全面建 成，历时2 0 年，耗资3 0 0 亿美元。 g p s 全球定位系统是一个无线电空间定位系统，它利用导航卫星和地面站为全球提 供全天候、高精度、连续、实时的三维坐标( 纬度，经度，海拔) ，三维速度和定位信息， 地球表面上任何地点均可以用于定位和导航。 g p s 系统包括三大部分：空间部分g p s 卫星星座；地面控制部分一地面监控系统： 用户设备部分g p s 信号接收机。 空间部分乜p s 卫星星座。 g p s 空间部分使用2 4 颗高度约2 0 2 万千米的卫星组成卫星星座，其中由2 l 颗工 作卫星和3 颗在轨备用卫星组成g p s 卫星星座，记作( 2 1 + 3 ) g p s 星座。2 4 颗卫星均 匀分布在6 个轨道平面内，轨道倾角为5 5 度，各个轨道平面之间相距6 0 度， 即轨道 的升交点赤经各相差6 0 度。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差9 0 度， 一 轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前3 0 度。卫星的分布使得在全 球的任何地方，任何时间都町观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几 何图形( d o p ) 。这就提供了在时间上连续的全球导航能力。 地面控制部分一地面监控系统。 浙江大学硕士论文 地面监控部分包括四个监控站、一个上行注入站和一个主控站。监控站设有g p s 用户接收机、原子钟、收集当地气象数据的传感器和进行数据初步处理的计算机。监控 站的主要任务是取得卫星观测数据并将这些数据传送至主控站。主控站设在范登堡空军 基地，它对地面监控部实行全面控制。主控站主要任务是收集各监控站对g p s 卫星的 全部观测数据，利用这些数据计算每颗g p s 卫星的轨道和卫星钟改正值。上行注入站 也设在范登堡空军基地。它的任务主要是在每颗卫星运行至上空时把这类导航数据及主 控站的指令注入到卫星。这种注入对每颗g p s 卫星每天进行一次，并在卫星离开注入 站作用范围之前进行最后的注入。 用户设备部分g p s 信号接收机 g p s 接收机可接收到可用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个月 内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几 米至几十米( 各个卫星不同，随时变化) ；以及g p s 系统信息，如卫星状况等。 信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信 号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的g p s 信号进行变换、放大和处理，以便测 出g p s 信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出g p s 卫星所发送的导航电文，实 时地计算出测站的三维位置，位置，甚至三维速度和时问。静态定位中，g p s 接收机在 捕获和跟踪g p s 卫星的过程中固定不变，接收机高精度地测量g p s 信号的传播时间， 利用g p s 卫星在轨的己知位置，解算出接收机天线所在位置的三维坐标。而动态定位 则是用g p s 接收机测定一个运动物体的运行轨迹。g p s 信号接收机所位于的运动物体 叫做载体( 如航行中的船舰，空中的飞机，行走的车辆等) 。载体上的g p s 接收机天线 在跟踪g p s 卫星的过程中相对地球而运动，接收机用g p s 信号实时地测得运动载体的 状态参数( 瞬间三维位置和三维速度) 。 接收机硬件和机内软件以及g p s 数据的后处理软件包，构成完整的g p s 用户设备。 g p s 接收机的结构分为天线单元和接收单元两大部分。对于测地型接收机来说，两个单 元殷分成两个独立的部件，观测时将天线单元安置在测站上，接收单元置于测站附近 的适当地方，用电缆线将两者连接成一个整机。也有的将天线单元和接收单元制作成一 个整体，观测时将其安置在测站点上1 2 3 l 。 浙江大学硕论文 2 2 获取雷电方位的具体方案 g p s 模块能为系统提供高精度的时间同步和经纬度信息。由于本系统采用单站方 式，对同步时间要求不高，但是对每路信号的相对时间精度要求较高，尤其是闪电光强 和雷声信号的时间差，故只利用g p s 模块获取系统时间，对采集信号进行时间标记。 主要利用g p s 模块来实时获得监测点的经纬度、高度信息。利用电子罗盘来获得设备 的安装方位信息。 2 2 1g p s 模块信息的提取 采用中国电子器件工业总公司的u s b 接口的g p s 模块，内置u b l o x 芯片，型号为 g p s - g 0 3 b ( h ) ，定位精度2 5 m c e p ，授时精度优于l o o n s 。该部分系统工作流程如下： 拟串口 图2 1 获取g p s 定位信息流程 g p s 天线由u s b 接口供电，上电后它会按照内部存储数据自动搜索卫星信号，通 过多个通道对卫星信号进行跟踪和锁定，自动选用正常的卫星，解算出p d o p ( 几何精 算因子) 的最小卫星组，进行卫星位置的解算，并不断输出n m e a 0 1 8 3 数据标准语句。 当连上三颗颗以上卫星时，它就能输出实时定位信息，编制程序读取虚拟串口，将读取 的数据包按照n m e a 0 1 8 3 标准解包，即可获得我们需要的数据。 n e m a - - 0 1 8 3 1 2 3 1 是美国国家海洋电子协会制定的进行导航信息传送的通信标准格 式，是市场上g p s 天线的o e m 板输出数据的通用格式。n e m a 0 1 8 3 格式数据串的所有 字符均为a s c i l 文本字符。数据传输以“语句”方式进行，每个语句均以“$ ”开头， 紧接着是“会话l d ”和三个字的“语句i d ”，其后是数据体，数据字段以逗号分隔，语 句末尾为c h e c k s u m ( 可选) ，以回车换行结束。每行语句最多包含8 2 个字符( 包括回车 换行和“$ ”) 。该标准主要有以下几种常用的通信语句：$ g p g g a ，$ g p r m c ，$ g p z d a ，$ g p g s a ，$ g p g s v 等。 本论文利用了其中的$ g p r m c 和$ g p g g a 语句，它的结构为： $ g p r m c ，a a b b c c ，d ，e e f f f f f f ，g ，h h h h 1 1 1 1 ，j ，k k k k ，l l l l ，m m n n 0 0 ， 浙江大学硕七论文 p p p p q ，r s s c r l f 以下是数据格式说明。$ 为g p s 语句的起始标志g p r m c 表示g p s 推荐的最短 数据，以后进入数据字段，用逗号分割。