闪电定位仪讲解

1、气象仪器课程论文题 目简易闪电定位仪系电子与信息工程专 业电子信息工程学生姓名学 号0一三年一月二日1引言 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 2系统设计 3 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 闪电的放电过程和描述参量 3 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 闪电的平面方位角计算 5 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 闪电的平面距离计算 6 HYPERLINK l bookmar

2、k16 o Current Document 系统整体框图 7 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 3硬件设计 7 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 数据采集卡 8 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 电源模块 8 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 数据选择器电路 9 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document /V 转换电路 9 HYPERLINK l boo

3、kmark28 o Current Document 较器电路 10 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 数器电路 10 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document D/A转换电路 11 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 4软件设计 11 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 5总结 126参考文献 13简易闪电定位仪张蕾南京信息工程大学电子与信息工程系，南京210044摘要：本文利用光学方法，研究和分析雷电发生

4、时各物理量的统计特征，从而设计了一个闪电定位系统。 文中提出了加权定位和向量定位两种新的定位算法，均能够应用于光电法闪电定位系统，实现闪电定位计算。本文简述了光电法闪电定位系统的硬件组成，介绍了包括闪电光强度电压信号处理、雷声识别、闪电的平面方位角计算，以及闪电距离计算等功能模块的设计，其中，主要介绍了闪电光强信号的获取及处理部分。本文还简要介绍了闪电定位系统的原理及其意义。关键词：光电检测；闪电定位系统；光强信号；定位方法1引言闪电是指积雨云中不同符号荷电中心之间的放电过程，或云中荷电中心与大地和地物之间的放电过程，或云中荷电中心与云外大气不同符号大气体电荷中心之间的放电过程。闪电的主要特点

5、是：电流大，电流高达几万至几十万安培；时间短，雷击过程只有几十微秒；电压高，强大的电流产生强大的磁场，形成很高的感应电压。 一次闪电中正电荷与负电荷中和的数量直接反应一次闪电释放出的能量，也就是一次闪电的破坏力。由于闪电的放电时间短， 在短短的几十微秒内把雷暴云蕴藏的能量释放出来，所以破坏力很强。雷电对人类而言是一种严重的自然灾害，主要表现为雷电所造成的雷击具有极大的破坏性，雷电的破坏作用是综合的，包括热效应、电动力效应、机械效应、冲击波效应、静电感应效应以及电磁场效应的 破坏。雷电电荷在传导放电的过程中，产生很强的雷电电流，一般会达到几十千安培， 有时会达到几百千安培，能产生几千、几万甚至几

6、百万伏高压， 足以让人畜毙命，电气设备毁坏。 雷电通道的温度可达到 5万华氏度，比太阳表面的温度还要高，能使金属熔化，易燃物体高 温起火。闪电产生的静电场变化、 磁场变化和电磁辐射， 严重干扰无线电通讯和和各种设备 的正常工作，是无线电噪声的重要来源，在一定范围内造成许多微电子设备的损坏。全球平均每年因雷击灾害造成的损失在10亿美元以上，已成为国民经济发展的严重障碍。闪电定位仪能提供长期的、 大范围的、准确的雷电位置、雷电强度等参量，这些雷电参量可用于进 一步研究雷电的放电过程和雷电活动的气候规律。雷电监测定位资料的积累和雷电活动规律的研究，除了可以为正常的天气现象提供基本的历史资料，更可试试

7、显示雷电的发生发展， 甚至可以为雷电的预报报警服务。2系统设计2.1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。闪电放电过程可以概括为： 云层电荷形成电分布-初始击穿-梯级先导-联接过程-第一回击-K过程-J过程-直窜先导-第二回击。(l)闪电的初始击穿：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104v/cm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

8、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，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。

9、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 50m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

10、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闪击地闪，由多次闪击构成的地闪称为多闪击地闪，第一次闪击后的各闪击称为随后闪击。闪电放电过程的描述参量如下所示，(l)闪电放电时间与回击放电的时间：每次闪电的持续时间主要由回击数决定，闪电持续的时间一般在l秒以内，平均在0.2秒左右。一个回击的持续时间一般小于0.1毫秒，回击和回击之间时间间隔一般为3 380毫秒，平均值是50 70毫秒。雷电定位系统所测定的闪电发生时间是一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。(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10个

11、回击的闪电数量很 少，个别地闪的闪击数可达 26次之多。(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。(4)雷电的光强：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。其中在中性氧和中性氮波长处的辐射最强。2.2闪电的平面方位角计算利用光电倍增管提取闪电光信号，在无闪电光照射时，倍增管也会有信号输出，此信号来自两个方面：一是暗电流的涨落形成的暗噪声；二是倍增管在有噪声光信号照射时产生的光电流。在影响有用信号提取

12、的诸因素当中，这两种电流的影响是最主要的。（l）加权定位如图1所示，定位系统在正北、西北、正西、西南、正南、东南、正东和东北 8个方位 上，等距离安装了 8只光电倍增管，以正北方向为0号管，逆时针增序编号为 0-7。系统以正 南方向为基准0 ,逆时针方向为角度增大方向。当闪电发生时 ，系统的8只光电倍增管中， 会有4只（如图中1,0,7,6号）管子直接受到闪电光的照射 ，此类管子记为I类管，此类光 线在图1中用实线表示；而另外 4只（如图中2, 3,4,5 号）管子则只会接收到背景反射的 闪电光，此类管子记为H类管，此类光线在图1中用单点划线表示。这两类倍增管的分界线 记为相对基准线。相对基准

13、线是指偏离正南方向22.5 和偏离正东方向22.5的4条直线。计算噪声信号值：1 ,m （1 a03 al 5 a2 7 a3）（1）16其中a0, a1, a2,a3是没有直接受到闪电光的照射的4只倍增管的输出信号。再把直接受到闪电光的照射的 4只倍增管的输出信号减去噪声信号值，并取绝对值，得到各自对应的加权系数（即权重）w0,w1,w2,w3,代入（2）式进行角度计算,这样可以减小非闪电信号电 流的影响。图1加权定位原理图计算相对B角度（相对于相对基准线的闪电的平面方位角）：(2)22.5 (1 w0 3 w1 5 w2 7 w3)w0 w1 w2 w3计算绝对角度a （相对于正南方向的闪

14、电的平面方位角）：=-(3)其中0视基线位置而异，0自东南偏南22.5。起，逆时针取值依次为：22.5 , 67.5 , 112.5 , 157.5 , 202.5 , 247.5 , 292.5 , -22.5 。若大于 360 ,则应减去360 使保持在0-360 范围内。(2)向量定位先将八方位倍增管的输出信号大小表示为直角坐标系中的向量，如图2中8个细箭头所示，此坐标系是以正南方向为x轴正向，以正东方向为y轴正向建立的；再将各向量投影到坐标轴上，并求出和向量z(如图2中粗箭头所示)。7Z=Zi(4)i 0向量定位算法与加权平均算法不同，在信号处理过程中，不必求出干扰信号具体有多大，在各

15、向量求和时就能够消除非闪电信号电流的影响；不必确定相对基准线，只需建立一个适当的坐标系即可。这样，就使程序得到了简化，信号处理速度也得到了提高。图2向量定位原理图闪电的平面距离计算(1)单站测距闪电的平面距离，即雷击点到测站的平面距离。雷声在传播过程中，在前0.2s左右以激波形式传播,速度名勺为5000m/s；之后以声波形式传播，速度为340m/s。若雷声与闪电到达测 站的时间差为t(t 0.2)s,则雷击点到测站的平面距离d(单位:km)为：d=0.34 (t 0.2) 1(5)若时间差t 0.2s,则雷击点到测站的平面距离d默认为0km。(2)双站测距雷声的传播过程很复杂，即使考虑到激波的

16、影响，仅通过测量雷闪时间差来计算雷击点 到测站距离，误差仍然很大。这是因为，一方面激波的传播速度和传播距离随雷电的强度变化而变化；另一方面声波在传播过程中遇到云层或高山等障碍物会发生反射。另外声音的传播方向会随着大气层内区域温度的变化发生改变，声音容易朝着温度低的地方传播，而使传播途径发生弯曲。若采用两套同样的光电法闪电定位系统组成的双站检测系统，只通过检测闪电的光信号即可计算出雷击点所在的有限区域到测站的距离。如图3所示，对于同一次闪电设测站 1测出的闪电平面方位角经误差修正后得到。1、0 2,测站2测出的闪电平面方位角经修正后得到03、。4,则角度射线的交点会形成一个平面区域ABCD,即雷

17、击区域。此区域到两个测站的距离可通过三角形的正弦定理计算得出。设A点到测站1、测站2的距离分别为 S1A、S2A,两测站的距离为定值 d0o据三角形正 弦定理，有： TOC o 1-5 h z sin( 24)： sin 4 ：sin 2 = do: Sa Sa(6)d0 sin 4d0 sin 2则S1A = -04 , S2A=-02(7,sin( 24)sin( 24)同理，可分别计算出B、C、D3点到两个测站的距离。这样 ，雷击点就被定位在平面区域ABCDrt。若方位角的定位精度提高了，则平面区域ABCM面积会大大减小，整个定位系统的定位精度就会得到大大提高。系统整体框匿系统整体框图如

18、图 3所示。图3系统整体框图3硬件设计本文主要介绍了光强信号接受模块的硬件电路设计以及数据采集卡。光强探测模块由硅探测器件和放大电路组成，并放置在一个铝合金壳体中。采用200KHz以上频率响应的硅探测 器件，在实际运用中，采用滨松公司的 S6967硅光电池。数据采集卡本文采用研华公司的 ADLinkDAQ/pXI 2010数据采集卡，其工作原理如图 4所示。DAQ2O1共有四个同步 A/D采集通道，即每个通道都有 A/D转换功能，以系统时钟或用户设置的外部时钟进行同步采集，模拟直流信号从车入端口输入，当有触发信号时数据采集卡开始采集,数据经过A/D转换器转换为16位的数字信号（有效14位）送到

19、数据缓冲区（FIFO）。数据转移到系统内存中可以采用DMAT式彳送，也可以由CPg制进行同步采集。数据采集卡主要性能：通道同步刀D采集,2通道D/A输出；14位高分辨率；采样频率可达2Ms/s；自动校正功能；PCI总线数据传输，有总线DM勒能；8K A/D FIFO; 4种A/D转换触发模式。r 1一信号源抨制隔高与非隔离_一 3A/转换得A/口料换器信号通道钻信号类型（SE/DI） 信号范围 自劭通道扫描四 掷 同 时 3. A/D数据线押区散照寄存器FFO缓冲区数据馔冲区A/D楂换器3苴战或PC- i厂之触发源控制、 触发信号源 梁样雄率4.较据传输VO指令 DMA 总线丰梓内存(Buff

20、er)CPU中断信勺Ji岛嬴IA/D分辨率与数据格式数据何故国制代码域补码单极性或双极性 J图4 DAQ2010工作原理图电源模块用LM7805三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、 过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。电路如图 5所示，C1、C2分别为输入端和输出端滤波电容， RL为负 载电阻。当输出电流较大时， LM7805应配上散热板。本文将 15V电压转换为+5V和-5V电压 供电路使用。图5 电源电路图数据选择器电路CD4052用途广泛，在本系统中我们将其作为双路热电偶的选择开关，其外设电路

21、简单, 且可程控，电路图如图 6所示。模拟开关使得电路转换电压电路实现量程自动切换。图5数据选择器电路图/V转换电路由于系统中的被测模块只有一端输出，输出的只能是电流，但之后的峰值检测需要的是电压，所以需要使用I/V转化电路，将电流转换为电压。本文使用简单的I/V转化电路，便可实现系统要求，电路图如图6所示。图6 I/V 转换电路图较器电路比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路。比较器的两路输入为模拟信号，输出则为二进制信号，当输入电压的差值增大或减小时，其输出保持恒定。本系统中,我们使用的是过零比较器，即一端输入接地，输入的正弦波转换成了方波。由于形成的方波底端值是负值，而 C

22、PLC求的方波输入不能有负值，所以在输出端加了二极管用来消去底 端负值，以满足实验要求，电路如图 7所示。图7比较器电路图数器电路起始时信号较小，反馈电阻处于最大，当信号超过4V时，触发比较器发出脉冲，作为计数 器的加脉冲信号，计数器加1,输出由原来的00变为01,通过模拟开关，使反馈电阻缩小为十 分之一，信号变为缩小为十分之一。随着信号增大再超过 4V时,触发比较器又发出脉冲，作为计数器的加脉冲信号，计数器加1,输出由原来的01变为10,最大可一直到11;当信号缩小 到低于0.4V,发减脉冲，同时计数器减1,使反馈电阻增大十倍。电路如图8所示。图8计数器电路图D/A转换电路将数字信号转换为模

23、拟信号的电路称为数模转换电路。如图9所示为电压输出型数模转换电路，直接从电阻阵列输出电压，并用输出放大器以低阻抗输出。量程信号转换为模拟量输出（DOUT）电路，计数器输出00对应模寸丈量为1.25V,01对应模才比量为2.5V,10对应模拟量 为3.75V,11对应模才丈量为 5V。图9 D/A转换电路图电路输出信号DOU敲入数据采集卡通道 O,AOU联入数据采集卡通道 1,系统启动后，程 序一直处于监控状态，数据采集卡等彳f触发脉冲，当通道1的电压值超过数据采集卡设置的 域值时（域值为实验采集的实际闪电光强信号输出幅值的5%）,数据采集卡以2M速率采集通道O,通道l和通道2,即闪电光强信号和

24、电磁信号。4软件设计软件流程图如图10所示。5总结通过本次课程设计的锻炼， 我对气象以及本专业的知识有了更深的认识，理解了闪电定位系统的工作原理及其电路设计。本文利用了光电法来探测闪电，在雷电探测方法中算是很好的。但雷电探测是一门综合的学科，雷电现象也是复杂多变的，本文在雷电的声光探测中还仅是一个开端，还有很多可以深入研究的课题，如闪电辐射产生的电磁场与光的能量成一定的正比关系，因此通过对光能量的分析也能得出闪电的电流；雷声也是一种复杂的随机过程，可以对雷声的特征作进一步的分析，提出更优的判别方法， 或是采用多点法来定位闪电。在学习了闪电定位的各种原理及方法之后，提出了利用光电检测技术实现闪电定位计算的两种新算法，受益匪浅。随着人们对防雷意识的不断提高，对防雷技术的要求也越来越高。 同时，目前各行业对闪电活动的预警预报需求很大，在气象，航空，航天，电力，通讯，军 事，工业，水文等以及人们的日常生活中都需要闪电活动的预报产品，因此为了提高更好的雷电预警预报服务和雷电防护技术服务，发展新