（通信与信息系统专业论文）雷电定位系统中基于cpld的数据处理与功能实现.pdf

j f f y 脚删1 删7 脚5 棚9 删3 删册1 3 脚 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：丕j 丝虬一日期：一锣幺。z 仁二 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：盈复选医 同期： 拦毖：厶筻 导师签名：与簪孝 l 一 日期：审也丛l 上一 雷电定位系统中基于c p l d 的数据处理与功能实现 摘要 雷电信号监测定位技术作为雷电防护技术的重要组成部分，以探 测、确定落雷点位置为基本任务，在雷电防护、雷电预警和预报方面 有重要的应用价值，是服务于全社会、急需发展的一项新技术。 本文依托于雷电监测定位系统，探讨了雷电定位系统中基于c p l d 的功能设计与实现。结合具体的科研课题，设计和实现了基于t o a ( t i m eo fa r r i v a l ) 到达时间法的高精度雷电信号定位系统中的c p l d 相关功能部分。 本文在数据采集分析等问题上提出了新的方案并在实际系统中 实现，对方案进行了验证，并给出了结论。此系统创新性的设计了结 合低频和高频雷电信号于一体的采集系统，对两路数据进行分别的数 据处理，并使用c p l d 进行了实际实现。 本文还给出了基于g p s 芯片和c p l d ，对系统压控晶振时钟进行 校准的实现方法，有效解决了由于长时间使用，晶振自身特性变化， 造成的频率偏移现象。为达到高精度的时间校准，利用g p s 信号的高 精度和高同步性，由c p l d 计算系统时钟相对g p s 秒脉冲信号的频率 偏移，驱动后续d a ，为压控时钟晶振提供调整电压，以达到调节晶 振频率的作用。本文设计的c p l d 芯片的算法，采用两级脉冲计数及 c p l d 硬件延时方法，以达到c p l d 资源占用和功能实现的平衡。 关键字：雷电定位；信号处理；数据处理；频率校正；c p l d 。 d e s i g na n dr e l i z a t i o no fl i g h t n i n g l o c a t i o ns y s t e mb a s e do nc p l d a b s t r a c t l i g h t n i n gm o n i t o ra n dl o c a t i o nt e c h n o l o g y , w h i c hi sa l li m p o r t a n t p a r to fl i g h t n i n gp r o o ft e c h n o l o g y , m a i n l yd e t e c tl i g h t h i n gp a r a m e t e r sa n d m e a s u r et h el o c a t i o no fl i g h t n i n g i ti sv e r yu s e f u li nl i g h t n i n gp r o o f , l i g h t n i n gf o r e c a s ta n dl i g h t n i n ge a r l y - w a r n i n g s oi ti san e wt e c h n o l o g y t h a tu r g e n tn e e d st ob ed e v e l o p e d t h i sp a p e rb a s e do nl i g h t n i n gm o n i t o rs y s t e m ，s t u d i e sd e s i g na n d r e a l i z a t i o no fl i g h t n i n gl o c a t i o ns y s t e mb a s e do nc p l d c o m b i n et o a c t u a ls c i e n t i f i cr e s e a r c h ，t h ed e s i g no ft h eh i g hp r e c i s el i g h t n i n gl o c a t i o n s y s t e mb a s eo nt o a ( t i m eo f a r r i v a l ) i si n t r o d u c e d f o l l o w i n g ，d a t ap r o c e s s i n ga n d t r a n s f e ra r ep a r t i c u l a r l ys t u d i e d t h i s p a p e rr a i s ean e wb l u ep r i n ti nd a t ap r o c e s s i n ga n dr e a l i z ei t ，t h e ng i v e s o m ec o n c l u s i o nf r o me l e m e n t a r ye x p e r i m e n t i tp r o v i d e san o v e ld a t a c o l l e c t i n gs y s t e mw h i c hc a np r o c e s st h el i g h t i n gs i g n a li nb o t hl o wa n d h i g hf r e q u e n c yb a n d a n dt h ed a t ac o l l e c t i o ns y s t e mh a sb e e nr e a l i z e d b a s e do nc p l d t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h em e t h o do fc l o c kc a l i b r a t i o nt ov c x oi n s y s t e m ，b a s e do ng p sa n dc p l d i tc a ns o l v et h ep r o b l e mo ff r e q u e n c y o f f s e tb e c a u s eo fc r y s t a lw o r s eb e h a v i o ri nl o n g t e r mu s e i no r d e rt oa c h i e v eh i g h p r e c i s i o nc l o c kc a l i b r a t i o n ，t ou s eo f h i g h p r e c i s i o ns y n c h r o n i z a t i o no fg p ss i g n a l s ，c p l dc o m p u t i n gs y s t e m c l o c kf r e q u e n c yo f f s e tr e l a t i v eg p s s i g n a l ，s e n dt oa r m t od r i v ed a t h i sp r o c e s sp r o v i d e sa d j u s tv o l t a g ef o rt h ev o l t a g e c o n t r o l l e dc r y s t a l o s c i l l a t o rt oa c h i e v er e g u l a t et h ec r y s t a l f r e q u e n c y t h ea l g o r i t h mo f c p l dc h i pd e s i g n e di nt h i sp a p e r , u s i n gt w op u l s e c o u n t i n ga n dc p l d h a r d w a r ed e l a ym e a n st oa c h i e v et h eb a l a n c eb e t w e e nc p l dr e s o u r c e c o n s u m p t i o na n df u n c t i o n k e y w o r d s ：l i g h t n i n gl o c a t i o n ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，d a t ap r o c e s s ， c l o c kc a l i b r a t i o n ，c p l d 、。j 北京邮i u 人学硕l j 论文 目录 目录i 第一章引言1 1 1 雷电监测的意义1 1 2 雷电的放电过程与描述参量2 1 3 雷电监测技术发展概况5 第二章雷电定位系统总体设计6 2 1 雷电定位系统实现原理6 2 1 1 雷电定位系统总体功能描述6 2 1 2 到达时间检测法( t o a ) 实现原理。7 2 2 雷电定位系统设计方案。1 0 2 2 1 前端雷电信号接收板设计1 1 2 2 2 后端雷电信号数字处理板设计1 3 2 3c p l d 相关部分设计1 6 第三章c p l d 相关功能总体实现1 8 3 1 系统中c p l d 相关部分的指标设计要求1 8 3 2c p l d 功能具体实现方案。2 0 第四章数据处理流程及f i f o 控制2 2 4 1 数据处理2 2 4 2f i f o 控僚4 2 4 4 3 仿真及测试结果2 7 第五章g p s 信号接收及处理3 0 5 1g p s 信号介绍3 0 5 2 状态块详解3 4 5 3c p l d 和a r m 间的交互实现3 5 第六章校频功能实现3 7 6 1 时间测量的基本方法。3 7 6 1 1 常用的高精度时间间隔测量方法3 8 6 1 2 直接计数法3 8 6 1 3 模拟内插法3 9 北京邮电人学硕i j 论文 6 2 校频实现方案4 1 6 3 仿真及测试结果4 4 第七章总体实现4 7 7 1c p l d 功能模块总体设计实现4 7 7 2 硬件资源占用情况一4 9 7 3 系统可拓展功能5 0 第八章总结5 1 8 1 总结s 1 8 2 展望s l 参考文献5 3 致 射s s 攻读学位期间发表的学术论文目录5 6 夕。 l 北京邮i u 人学硕i ：论文 1 1 雷电监测的意义 第一章引言 雷电现象是伴随着强对流天气过程发生的一种灾害性天气现象。雷电现象以 其强大的电流、炙热的高温、猛烈的冲击波以及强烈的电磁辐射等物理效应，可 以在瞬间产生巨大的破坏作用，从而造成财产和人员伤亡。雷电现象的强度与陡 度是反映雷电可能造成灾害的主要物理量。过去，对雷电现象的观测方法主要采 用目测，无法对雷电现象的强度、陡度等重要物理参量进行统计分析，对雷电发 生的频繁程度也只能根据雷暴日的统计分析n 】。 据统计，无论在哪一时刻，世界上都约有2 0 0 0 个雷暴区在活动，这些雷暴区 每秒钟产生1 0 0 0 个以上云地闪和云闪乜1 。雷暴天气的发生往往伴随暴雨、大风、 冰雹天气现象等，会给军事、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紊乱，不得 不引爆自毁，损失达1 7 亿美元。1 9 8 9 年夏，我国青岛的黄岛油库遭雷击起火， 大火持续几天几夜，造成人员、物资的巨大损失。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发生、发展趋势、消失过程，以方 便于在雷暴来临之前向可能受灾的地区提前发出警报，航天部门可以推迟火箭发 射，航空部门可以延缓或改变飞行计划和路线，停止给飞机加油，军事部门可以 中止加装燃料，停止导弹发射等，林业部门、电力部门可以迅速判断可能出现事 故的地点。 针对这种情况，我国已将雷电监测预警和防护工作纳入了气象基本业务轨道， 开始建立雷电灾害监测预警系统。目前，世界上的发达国家几乎都建立起了全国 范围的雷电监测定位网络口3 。其中最为典型的就是美国国家闪电探测网( n l d n ) 。 n l d n 由1 1 3 个i m p a c t e s p 探测器组成，探测精度高于5 0 0m ，并与加拿大c l d n 联 网组成了2 0 0 个探测站点的大范围探测网n 1 。 雷电监测定位系统无论在雷电的研究、监测还是防护领域中，都处于极其核 心的位置。一方面雷电监测定位系统可以通过遥测方式能大范围、较准确地提供 雷电的放电参数，供雷电科学家进一步研究雷电的放电特性和其它更细致的物理 过程提供科学依据，。 另一方面，雷电监测定位系统可以通过实时监测雷暴发生、发展、成灾情况 北京邮i u 人学颁i ：论义 和移动方向及其它活动特性，对一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，雷电现象往往和暴雨、飓风、冰雹等强对流天气现象有很强的相 关性，监测雷电活动范围、强度、频度等是监测、预报上述灾害性天气的重要手 段之。 第四方面，雷电的监测及准确定位在电力系统中雷击故障点的查巡、森林雷 击火灾的定点监测、火箭卫星发射场附近的雷电预警等方面，都具有很高的经济 效益。目前，几乎所有的发达国家和地区都布有全国和地区范围的雷电监测定位 网引。 1 2 雷电的放电过程与描述参量 雷电现象的放电包括云地放电和云中放电，分别称为云地闪和云闪，云地闪 俗称落地雷。云地闪的放电过程较复杂，它主要包括先导放电，返回击穿( 即主 放电) 及后继放电三个部分。其中返回击穿的能量最大，当观察点离雷电源较远 时，监测到的雷电的电磁脉冲主要由返回击穿所产生。由于云的高度、云中电荷 的分布密度，在很大程度上是随机变化的，因此雷电现象电流的通道以及雷电电 流的放电模式也是不定的。根据雷电现象电流通道的长短不同，每次雷电的持续 时间不等，大约在2 0 0 u s 5 0 0 p s 之间，雷击产生的电流强度可从几千安培到几十 万安培。雷电回击会产生强大的电磁脉冲，云地闪回击的峰值辐射功率可达1 0 0 0 0 兆瓦。一次雷电过程往往会有好几次闪击，每次闪击之间的平均间隔大约为1 0 0 毫秒，最短可达3 0 毫秒。大量实测资料表明：雷电电磁脉冲的频谱很宽，从直 流直到超高频段。但在源区附近，其主频谱在5 - 7 k h z ，离离源区较远，主频谱 就上升至1 0 k h z 左右或更高一些。由于不同频率分量的电磁波在地面与电离层之 间的传播有明显色散特性，传播过程中受地形地物的影响等因素，在离开雷电源 不同距离上监测到的雷电电磁脉冲波形特征有很大差异。 要对雷电定位设备做深入研究，就必需真正的了解闪电机理，下面对闪电有 关参量进行描述。 自然界中闪电可以细分为： 1 ) 云闪：云对云、云内放电； 2 ) 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，常常称为地滚闪。 其中，云地闪电对地面上的目标危害最大，是电力、森林防火等领域研究的 2 乙 ( t 北京邮l 【i 人学顺l j 论文 重点。 以云地闪电的放电过程为例，闪电放电过程如下：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、j 过程一直窜先导一第二回 击。 闪电放电过程中最重要的过程是回击过程，因为回击电流大，时间短，辐射 电磁场强，是形成故障、造成危害的主要原因。 1 ) 闪电放电时间与回击放电时间 每次闪电持续的时间主要由回击数决定，闪电持续的时间一般在1 秒以内， 平均在0 2 秒。一个回击的持续时间一般小于0 1 毫秒，回击和回击之间的时间 间隔一般为2 0 2 0 0 毫秒之间，平均值为5 0 7 0 毫秒。 雷电定位系统所测定的回击放电时间是回击产生的电磁脉冲的第一个峰值到 达监测站的时刻，精度大约为1 0 。7 秒，它等于回击发生的时刻加上传播时延。 2 ) 闪电的回击数 每次闪电的回击数从一个到几十个不等，一般超过十个回击的闪电数量很少， 平均值为3 5 个。 现代雷电定位系统所测定的闪电回击数，是根据每次回击事件按时间、位置、 极性的相关性归纳而成。 3 ) 回击发生位置 闪电通道长度一般约为几公里，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。 雷电定位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 ) 闪电电流值 在雷电定位系统中，闪电电流值是指回击的电流峰值。 回击电流的波形陡度最大值是指回击放电过程中单位时间内回击电流变化的 最大值，它反映了闪电回击放电最剧烈时的状况，直接和破坏力相关。 5 ) 回击放电电荷 回击放电电荷是指每次回击所释放出的电荷，实际上是对电流的积分，即 l f 以。整个闪电的放电电荷是指多次雷电闪电回击的累积值。 根据云闪时大气电场变化特性，云闪一般由初期放电过程和后期放电过程组 成。初期放电过程也称为初始流光过程，其持续时间约为2 0 0 m s ，发展的速度为 1 0 4 m s ，持续电流强度为1 0 0 安数量级。后期放电过程与地闪中的j 过程十分类 似，其持续时间约为2 0 0 m s ，持续电流长度不超过1 0 0 安。在j 过程中常出现持 续时间为2 m s ，间隔时间约为l o m s 的强放电过程( 和地闪中的k 过程十分类似) ， 3 北京邮i 也人学硕i ：论文 相当于一次较弱的回击，发展速度为1 0 6 m s 数量级，峰值电流的强度为1 0 0 0 安 数量级。 一般情况下，云闪的放电通道以倾斜为主，有时甚至水平发展，云闪发生的 高度一般为4 l o k m ，云闪通道长度约为5 l o k m 。 针对雷电发生时产生的各种信号，采用不同的监测方法可以得到光、声、电 磁波等数据，不同的测量参数对于监测雷电都有着不同的意义。表1 - 1 对各种雷 电探测方法做了横向比较。可以明显地看出雷电监测定位技术在雷电探测和防护 领域的优越性和突出地位，具有精度高，用途广等优势口1 。 表1 1 主要的雷电探测方法比较 雷电探测方法探测参数种类 探测精度主要用途 测量闪电电流闪电电流一般研究闪电性质 测量电场大气电场两研究闪电性质、预报闪电 测量回击峰值电 回击峰值电流低 研究闪电性质、制订防雷 流( 磁钢棒法) 标准 闪击计数一定时期内闪击次数低记录闪电频度 研究闪电性质、检验防雷 测量地面电流接地线电流一般 设备性能 风速、风向、气温、湿 气象高研究闪电性质、预报闪电 度、降水量和气压等 每次回击的时间、位置 极性、回击电流波形、实时监测雷暴活动、实时 波形特征点( 包括峰探测闪电参数及对落雷 雷击监测定位点、最陡点、半周过零 两地点的位置和时间做出 点等) 到达时间，回击准确测定、预测雷暴发展 放电电荷、闪电辐射能 趋势 垦危盘 里守 本系统为雷电监测定位系统，对每次回击的时问、位置极性、回击电流波形、 波形特征点( 包括峰点、最陡点等) 到达时间等参数进行测量，在保证系统的时间 精度情况下，具有很高的探测精度，以保证实时监测雷暴活动、实时探测闪电参 数以及对落雷地点的位置和时问做出准确测定和预测雷暴发展趋势。 4 ， _ 龟 北京邮i u 人学硕i ? 论文 1 3 雷电监测技术发展概况 本世纪八十年代初，随着雷电物理、电子技术，计算机技术的发展，美国科 学家首先推出了一种可以接收闪电产生的低频电磁脉冲的多站监测系统，法国科 学家在九十年代中期推出了甚高频雷电监测系统( 干涉仪) 陋】。在我国，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亦先后开始研制雷电监测系统，并逐步形成了有自己特点 的产品。正如表卜2 中所述多站式雷电监测定位在雷电的研究、监测及防护领域 中处于极其核心的位置阻】。 表1 2 雷电监测方法分类 收测频段：低频电磁脉冲，甚高频段 单站定位系统测向：门控交叉环测向技术，干涉仪方法 测距：强度定距，频谱法，电磁分量相关法，混合法 方位汇交定位 低频雷电监测 到达时间差定位 方位汇交和时差综合定位 多站定位系统 干涉法测向 高频雷电监测方位汇交多站定位 时差与方位汇交综合定位 雷电监测定位理论是指利用闪电回击辐射的声、光、电磁场等待性来遥测闪 电放电参数的原理、方法。目前主要的雷电监测定位方法如下n 引： 1 ) 声学法：利用雷电发生时辐射的次声声波进行雷电监测定位。 2 ) 光学法：通过闪电光的亮度、光谱成分测定，确定回击放电参数。 3 ) 电磁场法：利用采集发生雷电时发出的电磁波信号，进行检测定位。 目前主要采用的定位技术是分为多站式定位和单站式定位两类。 其中单站定位系统有收测频段、测向和测距三种测量方式，而多站式定位系 统可分为低频雷电监测和高频雷电监测两种方式。如表卜2 所示。本雷电监测定 位系统采用多站式时差定位方法。 多站式雷电检测定位系统的定位精度高，探测参量多，但设备复杂，需要通 信网、中心数据处理站。根据接收雷电信号的频段差异，分为低频、高频两类。 高频雷电定位系统的价格十分昂贵，在我国还处于研究阶段。但由于它能够对云 闪进行精确定位，具有较好的实际应用价值，本文就是基于此系统进行相关部分 5 北京邮l u 人学硕i j 论文 的研究和实现。 第二章雷电定位系统总体设计 本章主要介绍雷电定位系统的功能要求、原理和总体实现方案，并对c p l d 相 关功能部分进行总体上的简要的说明。 2 1 雷电定位系统实现原理 以下从实际系统的总体功能要求上，详述系统的设计和实现方案。 2 1 1 雷电定位系统总体功能描述 本系统，旨在实时接收特定频段内大气中的雷电信号，经过接收、采集、存 储等步骤后，可以记录下详细的雷电发生情况描述参量。并于后端的数据处理和 综合中心，根据记录下的雷电发生描述参量，精确的计算、定位出雷电发生的地 点，时间等信息。 多站式雷电定位检测系统总体上包括采集与传输子系统，和数据处理与综合 中心。 雷电信号采集与传输子系统 a ，d5 0 m h z a d5 0 m h z ，一茴、 吖 j 、旦。鱼，b m c 刚 。 o m p a t i 够c d c o m p a t i b l e r 鄹甄嘎丐 i 综合中心 i 图2 - i 整体系统框图 图2 1 为雷电定位系统的整体系统框图。雷电信号采集与传输子系统的功能， 是采用一种合理的方式，采集雷电发生时的电磁波信号，转换为数字信号后，选 取所需的有效数据并存储、传输至数据处理与综合中心进行定位信息生成；后续 的数据处理与综合中心，则是对数据进行分析和运算，依照数据，计算出雷电现 象发生的精确地点和时间等信息。 本文所做的工作属于雷电信号采集与传输子系统的研制中基于c p l d 实现的功 能部分。 6 ： j - i 一 正 北京邮i u 人学硕1 ：论文 本雷电定位系统采用的方式为，多站式时差定位方法，即需要有多个站点同 时记录，在每次雷电现象发生时，对每次回击的时间、位置极性、回击电流波形、 波形特征点( 包括峰点、最陡点等) 到达时间等参数进行测量。同时，由多个站点 分别记录下雷电现象的波形、峰值、及记录中数据点对应的时间信息等发生参数， 传送给数据处理与综合中心后。由数据处理与综合中心，根据这些记录下来的数 据，剔除伪数据点，构建并求解空间时间上的四维方程，精确定位出雷电的发生 情况。 这种构建空间时间四维方程的方法，基于到达时间检测法，即t i m eo fa r r i v a l ( t o a ) 方法。到达时间检测法，是一种利用电磁波到达各个雷电探测站点的时间 差对雷电定位的多站式雷电定位方法。通过采集雷电事件发生时产生的电磁波信 号到达各个探测站点的时间，计算出站点之间的时间差，得到雷电事件发生的三 维位置和发生时间。因此，各个站点之间的标准时间差，即站点之间的同步问题 决定了整个系统的定位精度。由于雷电的发生和持续时间在毫秒以下的数量级， 对于系统时间上的精确度就要求很高。同时，由于采集的信号是射频信号，在空 气中传播时存在大量的无线电波干扰，并且，为了保证实时监测雷暴活动、实时 探测闪电参数及对落雷地点的位置和时间做出准确测定、预测雷暴发展趋势，需 要很高的系统时间精度。所以在这种t o a 定位的系统中，各站的时间同步性是最 重要的。 本雷电定位系统的设计和实现基于t o a ( t i m e - o f - a r r i v a l ) 方式，由于本系 统计划布设于北京地区，因此综合考虑欲接收雷电信号频率范围及北京地区开路 广播和电视的频段占用情况，为避免环境电磁波对雷电信号的同频干扰，高频信 号部分选定对7 6 m h z 附件特定频段，带宽6 m 内的雷电信号进行实时的数据采集与 监测；低频信号选定3 0 0 k h z 一3 m h z 频段进行数据接收和处理。该系统各站点中的 信号采集部分由天线捕获高频和低频雷电信号并进行前置滤波和放大，经由5 0 欧姆同轴电缆送至后端，先经过后置滤波进行精滤，再通过对数放大器进行功率 到电压幅度上的转换，后进入主控母版。以5 0 m h z 采样频率对高频模拟信号进行 采样量化，以2 m l d z 采样频率对低频模拟信号进行采样量化，并由c p l d 对两路信 号进行信息提取、时间定标等处理，并将选择处理后的数据连同时间标记发送到 嵌入式a r m 控制器端，再由a r m 控制将数据存入移动存储设备。 2 1 2 到达时间检测法( t o a ) 实现原理 本文所设计的雷电定位系统采用的是基于t o a 方式的多站式雷电定位系统，由 分布在一定区域内( 半径约l o o k m ) 的多个雷电信号采集站点和数据处理与综合 中心组成( 如图2 2 ) 。在本文中需要设计和实现的是雷击电磁波信号的采集和 7 北京邮i 乜人学硕f j 论文 处理，因此下文介绍到达时问检测法( t o a ) 原理。 到达时问检测法，f i o t i m eo fa r r i v a l ( t o a ) ，是一种利用电磁波到达各个雷 电探测站点的时间差，对雷电定位的多站式雷电定位方式。通过采集雷电事件发 生时产生的电磁波信号到达各个探测站点的时间，计算出站点之间的时间差，得 到雷电事件发生的三维位置和发生时间。 t o a 检测法的示意图如图2 - 2 所示。 e 妒2 i 一0 扩争r 争坼番 ， 雷电脉冲发生点 ( x jy jz jt ) 图2 - 2 t o a 的监测示意图 由图2 - 2 可以看到，雷电现象发生时，其辐射的电磁波信号有四个未知因素， 三维位置( 工，y ，z ) 和发生的绝对时间f 。由于事件到达各站点时间不同，首先传播 到离雷电事件最近站点，然后是较远的站点。由于电磁波的传播速度是一定的， 必然有 根据上式可得c ( f ，一d = ；i = 历f 夏歹j 历f i 丽 2 1 t f = t + 二 一一) 2 + 一j ，f ) 2 + o z f ) 2 ( 2 - 2 ) 其中，c 是信号的传播速度，而( x l ，y ，乙；f ，) 表示第f 个站点的三维位置和电磁 波到达第f 个站点的时间。 定义 可以得到 2 = 工卜y 卜z ? ( 2 - 3 ) ，2 = 工2 + j ，2 + z 2 ( 2 - 4 ) c 2 0 2 + f ? ) = ，2 + 2 2 ( x x f + f + z z f c 2 t t i ) ( 2 - 5 ) 8 o j 北京邮i u 人学硕i j 论文 把( 2 - 5 ) 式中的f 换成_ ，并减去( 2 5 ) 式，得到 定义 从而有 。、i - k令 则有 c 2 ( 乎一f ；) 一( 2 一r t ) = - 2 x ( x f 一工) + j ，( ”- y ，) + z ( z f z ，) - c 2 t ( t f f 川 ( 2 - 6 ) t # 2t i t j ，x 。2x j x j ，y # 2y i y j ，z n = z t z j q 坚二学= 嘞+ + 嘞一c 2 嘞 q 固 ( r t 2 - r t ) - c ( t 卜f 2 ，) q v2 了一 q 扩= 巅扩+ 嘞+ 嘞一c 2 嘞 ( 2 9 ) 由式( 2 9 ) 可以得到一组关于( x ，y ，z ；f ) 的线性方程组。通过矩阵表示，得到 c t 0 x q c t 渡x 睡 c t nx n c t l i i i x i i l i y qz h y 渡 z i l 【 y uz t l y 拥z 拥 c t x y z 勤 q i k qn g f m ( 2 - 1 0 ) 对这个矩阵方程求解可以得到到达时间的结果，即雷电事件的定位。即通过 多个站点对同一个雷电发生事件的记录，就可以对这个四维方程求解，得到空间 时间结果。 t o a 探测法理论上，也存在受到干扰的情况，下面简述可能存在的干扰。 如图2 3 所示，假设有a 、b 、c 、d 、e 共五个站点，在一个3 2 0 u s 的测量区间 内发生了蓝色、绿色、黄色三组有效数据，而黑色部分代表干扰的噪声信号，那 么假设没有黑色的干扰信号，那么根据各个站点的到达时间的不同可以定位雷电 事件发生的时间和地点。当有干扰的情况下，例如在第一个8 0 u s 的时间段内，b 站点测到的“黑色”数据有可能被当作是有效信号，与a 、d 站点的“蓝色”信号 当作同一个雷电事件，就会产生错误。同样，在第四个时| 、日j 段，c 站点收到的“黑 色”会被认为与a 、d 、e 站点的“黄色 信号是同一个雷电时间。 9 北京邮i u 人学颁i ：论文 矧弘；瓮 卜一 站盍“皿二二工i 二二 二二工 口 嚣 卫 二二口二二工二 f 口 二工二二刃二二二工e 三于噪声 d 二正工二二i 二二工二二卫 e 图2 - 3 寻找时间差的方式 为了解决上述问题，一种方法是不改变站点数量，对检测到的数据结果进行 分析，分出有效数据和无效数据，但此方法的实现难度较高，需要对雷电发生时 产生的电磁波信号有统计了解和分析；另一个有效办法是增加站点的数量，通过 比较多组数据，丢弃在同一个时间段内出现次数少的数据，当站点数量较多时， 根据未丢弃的数据仍然可以实现雷电定位的功能，本文中采用的就是增加站点数 量的方式。 2 2 雷电定位系统设计方案 本雷电监测定位系统采用多站式时差定位方法，需要对每次回击的时间、位 置极性、回击电流波形、波形特征点( 包括峰点、最陡点等) 到达时间等参数进行 测量，需要很高的探测精度，以保证实时监测雷暴活动、实时探测闪电参数及对 落雷地点的位置和时间做出准确测定、预测雷暴发展趋势。 多站点时差定位方法，就是由多个站点分别记录下雷电信号的波形、峰值、 及记录下的数据点对应的时间信息，再由数据处理与综合中心，根据这些记录下 来的数据，剔除伪数据点，解空间时间上的四维方程，精确定位出雷电的发生情 况。 对于实时数据的记录，主要涉及到雷电信号数据的总体波形、峰值、及对应 的精确时间信息等。这就决定了，对雷电数据的采集和接收、记录过程，要有对 雷电信号数据的初选等处理过程。分别记录下雷电数据的低频和高频数据、对应 的时间定位信息等。 由于雷电的发生和持续时间在毫秒以下的数量级，所以对于系统时间上的精 确度就要求很高。 这种精确度的要求包括两个方面，一是各站点自身时钟的高稳定度，若自身 1 0 i l k 北京邮i 【1 人学颂i j 论文 时钟的稳定度不高，则在数据采样量化及记录数据时，秒内时间片的定位就会有 不可预知的偏移，考虑到雷电信号的发生和持续时问，这种偏移可能造成数据处 理与综合中心对雷电发生情况的误判；二是各站点之间的同步程度，由于数据处 理与综合中心要综合考虑多站点的数据，在某一个时间点定位出雷电事件，若站 点之间同步精度不够，则无法对各站点数据进行正确整合，也造成误判。 因为本地时问精度会直接影响到全系统的精度及测量数据的有效性，故本地 时间精度是保证系统高精度的关键之一。为了实现本地压控晶振的高精度，首先 选择精度较高的晶振作为系统的主时钟，本系统采用定制的温补型压控晶振 ( v c t c x o ) ，极大的提高了本地测量精度；其次进一步对本地压控晶振进行频率 校正，通过在a r m 端和c p l d 端实现校频算法来实现，具体实现方法见后续相关章 节。 综上，多站式时差定位方法的理论探测精度主要依赖各个探测站的本地时间 测量精度和站间同步( 守时) 精度。针对这些特性，本系统采用全球卫星导航定 位系统( g p s ) 进行站点自身的频率校准和站间时间同步。目前，采用g p s 定位系 统能保证时间精度为1 0 7s 。各站点都以g p s 提供的秒标记为基准，校正自身的频 率偏差，并接收和解析g p s 提供的时间等信息，这些设计可以在完成各站点频率 校正的同时，保证各站点之间的时间同步。 为了实现实时的数据采集和数据存储，本系统采用了实时性较高的v x w o r k s 嵌入式操作系统。相比其他实时嵌入式操作系统( 例如r t l i n u x 等) ，v x w o r k s 具 有更高的实时性，其系统本身的开销很小，任务调度、任务间通信和中断处理等 系统公用程序精炼而高效，他们造成的延迟很短。v x w o r k s 提供的多任务机制对 任务的控制采用了优先级抢占调度和轮转调度机制，也充分保证了可靠的实时 性，使同样的硬件配置能够满足更强的实时性要求，为应用的开发留下更大的余 地，具体实现不再详述。 2 2 1 前端雷电信号接收板设计 雷电信号采集与传输子系统，分为两部分，包括雷电信号数据的接收部分， 即前端雷电信号接收板；雷电信号数据的选取和记录部分，即后端雷电信号数字 处理板。 前端雷电信号接收板，实现雷电信号数据的接收功能。射频信号接收处理模 块包括，接收天线模块、馈线、射频信号滤波模块、信号放大模块、处理模块几 部分，如图2 - 4 所示。 北京p l l j , t 1 人学颁i j 论文 低额接收天线 图2 4 射频信号接收处理模块 1 天线模块： 1 ) 高频：由于要接收7 6 m h z 附近特定频段内的无指向全方位雷电信号，因此 定制了杆状全向天线高频天线，长约6 米，特征阻抗为5 0 欧姆。鉴于其特征阻 抗为5 0 欧姆，所以本系统所有的馈线，连接头，滤波器等都选择特征阻抗为5 0 欧姆的器件，以减少阻抗转换所带来的额外损失。天线接收增益为l o d b 。 主要指标：杆状全向天线，调谐频段为3 8 m h z 3 0 0 m h z 之间 特征阻抗5 0 欧姆，接收增益l o d b 2 ) 低频：使用平板电场天线，它由一上一下两个平行于地面的圆形金属板组 成，为了减轻重量，采用制作印刷电路板的单面覆铜板代替了金属板。这两个金 属板与它们之间的空气形成一个平行板电容，当雷电回击发生时，由于静电感应 原理，在这两个金属板上将产生感应电荷，例如当雷电发生时，上方的金属板将 感应出正电荷，而下方的金属板将感应出负电荷，这样，两个金属板之间就形成 电位差，它的值代表了闪电回击电磁脉冲辐射的电场强度的大小和极性。低频部 分采集信号的频率为3 0 0 k h z - 3 m h z ，之后可以选择使用不同的滤波器设定所需的 信号带宽。 主要指标：平板电场天线，调谐频段为3 0 0 k h z 一3 m h z 。 3 ) 避雷器：型号为同本c a - 2 3 r s r p ，其采用1 4 波长短路原理，实现良好的 避雷效果； 主要指标：频率范围d c 2 5 0 0 m h z 之间，标称阻抗5 0 欧姆。 2 馈线： 采用低损耗的同轴电缆对信号进行长距离传输，这样可以使天线和数据处理 板隔开一定的距离，防止数据处理板的噪声被天线端拾起，以减小干扰。 主要指标：传输距离约为3 0 m ，线路损耗为4 3 d b i o o m 。 1 2 l k 北京邮i 【1 人学倾l j 论义 3 射频滤波、放大及处理模块： 整个高频射频信号处理模块的信号增益衰减路线图如图2 5 所示： ，2 ( 璐 莲 蕊；办。，。矿。，。，吨瓴i ，弧。删川，”。，：。血州”，：知，磁j ，：，：舢；剃；：知。，；纛l 图2 5 高频射频信号增益衰减路线图 带通滤波器：用于对高频雷电信号的频段选择，其幅频响应曲线比前端的预 选滤波器幅频响应曲线更加陡峭，带外抑制更好，但是其带内衰减较大。 抑噪放大器：型号为m i n i 公司的低噪声放大器m a n 一1 l n ，采用密封封装，坚固 耐用。其放大增益曲线如图2 - 5 所示。 主要指标：噪音指数为3 o d b ，特征阻抗为5 0 欧姆。 对数放大器：选用的对数放大器为a d i 公司的a d 8 3 1 0 ，选用对数放大器而不是 将信号直接接入a d 原因在于我们的目标是选择雷电信号发生时段范围内的最高 功率点信号。对数放大器的输入功率和输出电压曲线图如图2 5 所示。 主要指标：响应频率范围为d c 至4 4 0 m h z 。 2 2 2 后端雷电信号数字处理板设计 后端雷电信号数字处理板是本系统的重点，实现对雷电信号数据的量化、选 取、记录和校频等功能。包括了a d 、a r m 主控芯片、c p l d 芯片、f i f o 、d a 、压 控晶振等主要部件。 北京邮i u 人学硕i j 论文 数字信号处理系统的框图如图2 6 所示 a d 转换模块 a r m 系统板 g p s 校频模块 图2 - 6 数字信号处理系统结构图 数字信号处理系统按照作用可以分成三个子模块： 1 a d 转换模块： 实现对雷电信号数据的量化、记录功能。由于a d 芯片特性，双路差分输出为 相同频率时，信噪比最高，因此，对高频和低频数据都采用5 0 e 4 z 频率进行采样。 高频部分是对经过对数放大器转换过的模拟信号进行5 0 m h z 速率抽样，抽样 速率可由板载主时钟晶振输出频率进行调节，上限为6 5 m h z 。低频部分只是输入 信号为o - 3 m h z ，同样采用5 0 m h z 速率抽样。由c p l d 单元控制数据的窗口和时间定 标，并把采集的数据输入到1 6 k , 1 8 b i t 的f i f o 缓存，完成对样值点的数据采集以 及时间定标，雷电波形数据采集。 同时，由a r m 从g p s 接收实时的时间数据，传送至i j c p l d 后，由c p l d 封装为状态 块，与对信号进行处理后的封装好的数据块，一起写入f i f o 中进行缓存。 2 g p s 校频模块： 由于晶振随环境温度的变化频率会发生较大的改变，需要使用锁相环( p l l ) 进行校频。模块的同步时钟信息来自m o t o r o l a 的g p s 接收机m 1 2 t 的p p s 秒脉冲输 出，晶振每两秒钟与g p s 同发一次( 时间参数可调) 。当校频稳定后，压控晶振误 差可以控制在l t