闪电探测仪功能规格需求书

附件VLF/LF雷电探测仪功能规格需求书中国气象局综合观测司2014年5月编写说明本功能规格需求书规定了VLF/LF雷电探测仪在组成结构、功能、性能、环境适应性和业务运行等方面的要求，是设计研制、生产和测试评估的依据。。随着科学技术的发展和进步或业务需求发生变化，本功能规格需求书将随之进行相应的修订、补充或重新发布。本功能规格需求书由中国气象局综合观测司委托中国气象局气象探测中心组织编写。主要编写人员：陈瑶、孙秀斌、雷勇、刘达新、包坤、任晓毓。目录TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"前言 11.1目的 1适用范围 1制定依据 2\o"CurrentDocument"组成结构 22.1概述 22.2探测仪组成 3\o"CurrentDocument"功能要求 43.1探测地闪和云闪脉冲信号 43.2自检 43.3运行状态信息 43.4探测数据本地存储 5数据传输 5终端操作 5软件更新 5定位算法 6\o"CurrentDocument"性能要求 64.1探测仪主要技术要求 64.2雷电探测网技术要求 6\o"CurrentDocument"环境适应性要求 75.1一般性要求 75.2电磁兼容性要求 7业务运行要求 86.1运行监控要求 86.2可靠性及可维护性要求 86.3GPS对时要求 9\o"CurrentDocument"结构和外观要求 97.1结构要求 97.2外观要求 9材料与涂覆 9\o"CurrentDocument"通讯要求 108.1通讯标准 108.2通讯参数 108.3通讯类型 10\o"CurrentDocument"安全要求 109.1安全标记及要求 109.2基本电器安全要求 10其它要求 11防雷要求 1110.1一般要求 1110.2直接雷击的防护措施 1110.3雷击电磁脉冲的防护 12\o"CurrentDocument"附录1数据格式 13\o"CurrentDocument"附录2终端操作命令格式 161前言目的雷电是伴随着强对流过程发生的一种灾害性天气现象。实现雷电自动化探测对开展灾害性天气预警预报、雷电防护等气象防灾减灾工作具有重要意义。经过多年的建设，中国气象局国家雷电探测网已经覆盖了我国的大部分省市区。雷电数据和产品已应用于我国的雷暴、冰雹等强对流天气的监测和预警中；并且在各项重大气象保障服务中发挥着作用。目前，国家雷电探测网采用VLF/LF雷电探测技术，能够对发生于我国大部分地区的云地闪（以下简称为地闪）进行实时探测。但是，和国外同类探测网相比，我国雷电探测网的雷电探测仪（以下简称为探测仪）性能、地闪探测效率和定位精度等仍有待提高。并且，随着VLF/LF雷电定位技术的发展，VLF/LF雷电定位技术除了能够探测地闪外，还可实现部分云闪的探测，而现有的国家雷电探测网还不具备探测云闪的功能。此功能规格需求书主要用于指导和规范VLF/LF雷电探测仪的研制和测试，进一步提升国家雷电探测网探测地闪的能力，扩展其探测部分云闪的功能，从而提高我国雷电探测业务的水平，提升雷电灾害监测预警服务能力。适用范围本功能规格需求书规定了VLF/LF雷电探测仪在组成结构、功能、

性能、环境适应性和业务运行等方面的要求，是设计研制、生产和测试评估的依据。制定依据(1)WMO"GuidetoMeteorologicalInstrumentsandMethodsofObservation(seventhedition)",2008；2)QX/T48-2007地面气象观测规范第4部分：天气现象观测。组成结构概述探测仪主要由电磁场天线和GPS天线，时间基准、前端模拟信号处理、采集和处理、探测数据存储、通讯模块及电源等辅助部件组成，如图1所示。图1VLF/LF图1VLF/LF雷电探测仪组成框图探测仪能接收雷电放电过程中辐射的VLF/LF电磁脉冲信号，获取其到达探测仪的时间、场强峰值等信息，并能将这些信息实时上传至雷电数据处理中心。探测仪组成电磁场天线电磁场天线的作用是接收雷电放电过程中辐射的VLF/LF电磁脉冲信号。GPS天线GPS天线的作用是接收GPS卫星的导航信号，用于探测仪的时间同步。时间基准模块时间基准模块分析和处理GPS卫星导航信号，获取GPS时间。同时，探测仪自身以高稳定恒温晶振为频源，建立高精度本地时钟。前端模拟信号处理模块前端模拟信号处理模块对接收的VLF/LF雷电电磁脉冲信号进行放大、滤波等预处理。采集和处理模块采集和处理模块实现对预处理后的电磁脉冲信号的采样和波形分析，鉴别该信号是否为雷电信号，并区分地闪回击和云闪脉冲波形；提取电磁脉冲信号峰值参数；实现探测仪的自检及控制等功能。探测数据存储模块探测数据存储模块对VLF/LF雷电电磁脉冲波形数据进行存储。通讯模块通讯模块将探测数据、设备运行状态数据等信息以无线或有线的方式上传至雷电定位软件。电源为探测仪提供工作所需的电源。功能要求探测地闪和云闪脉冲信号探测仪能够实时探测地闪和云闪辐射的电磁脉冲信号，并辨别地闪的极性。探测仪探测的主要参数有：（1）地闪回击过程辐射的电磁脉冲峰值到达探测仪的时间、强度、极性等；（2）云闪强放电过程辐射的电磁脉冲峰值到达探测仪的时间、强度等。具体参数见附录1中的附表1。自检探测仪应能自检设备运行状态。在测试模式下，探测仪产生模拟雷电信号，检查探测仪能否正常工作。探测仪每整点自检一次，更新设备自身工作状态值（00-无自检，10-自检正常，11-自检异常）。通过终端操作命令自检时，输出主板温度、电源温度、主板电压、电源电压、时钟稳定度和单位时间噪声量等。注：单位时间噪声量：一小时之内，单位时间内（秒）噪声信号数量。运行状态信息探测仪具备实时输出设备运行状态信息的功能，每分钟发送1次。探测仪的运行状态主要包括设备工作状态值、主板温度、电源温度、主板电压、电源电压、时钟稳定度和单位时间噪声量等。具体参数见附录1的附表2。探测数据本地存储以文件方式存储探测数据，能够存储至少7天的雷电脉冲波形数据。数据传输通过RS-232接口传输数据，由通讯模块实现无线或有线传输。终端操作终端操作命令用来设置探测仪参数、读取数据等。探测仪应至少具备如表1所示的终端操作命令，各种终端操作命令的详细信息见附录2。表1探测仪的终端操作命令命令编号命令字功能简述1HELP显示探测仪命令的清单2SETCOM设置或读取设备的通讯参数3RESET复位硬件4AUTOCHECK设备远程自检5DATETIME设置或读取设备的日期与时间6ID设置或读取探测仪ID7VERSION显示现彳丁的软件版本3.7软件更新在不更改任何硬件设备的前提下，计算机终端可以对探测仪中的软件进行升级。定位算法探测仪将探测数据发送至雷电数据处理中心，利用到达时间法或磁定向法等算法进行雷电定位处理，得到定位结果。性能要求探测仪主要技术要求探测仪的主要技术指标如下：探测性能(1)灵敏度：0.1V/m(2)回击(强度5kA)的有效探测半径：300km(3)工作频率：1kHz~350kHz(4)时间精度：时间精度优于10-7s；晶振稳定度优于10-7s(5)测向精度：优于1°(6)事件处理时间：小于1ms功耗功耗：<20瓦电源AC220(-15%~+10%)雷电探测网技术要求地闪探测指标(1)地闪探测效率：对强度大于等于5kA的地闪，平原地区探测效率不小于90%，其它地区探测效率不小于85%(网内);（2）回击探测效率：对强度大于等于5kA的回击，平原地区探测效率不小于60%，其它地区探测效率不小于55%（网内）;（3）定位精度：误差中值不大于500米（网内）;（4）回击强度：峰值电流强度相对误差（绝对值）中值不大于15%（网内）。云闪脉冲探测指标探测效率不小于40%（网内）。环境适应性要求一般性要求探测仪在以下环境中应正常工作：（1）工作温度：-35°〜+50°C（2）相对湿度：5%~100%（3）盐雾：工作在沿海、海岛的探测仪，必须考虑大气中盐雾对探测仪的影响，在材料、表面涂覆和工艺上采取必要的措施，使其具有足够的防盐雾腐蚀的能力。电磁兼容性要求探测仪电磁抗扰度要求详见表2。表2需满足的试验内容和严酷度等级内 容试验条件交流电源端口直流电源端口控制和信号端口电压暂降和短时中断抗扰度30%0.5周期60%5周期100%250周期1.2/50盟（电压）8/20ys（电流）线对地：±2kV线对地：±1kV线对地：±1kV浪涌冲击抗扰度电快速瞬变脉冲群抗扰度±2kV5kHz±1kV5kHz±2kV5kHz射频电磁场辐射抗扰度0.15〜80MHz3V80%AMK(lkHz)0.15〜80MHz3V80%AMK(1kHz)0.15〜80MHz3V80%AMK(1kHz)静电放电抗扰度接触放电：±4kV空气放电：±8kV接触放电：±4kV空气放电：±8kV接触放电：±4kV空气放电：±8kV6业务运行要求运行监控要求为了对雷电探测网的运行情况进行监控，探测仪具备发送运行状态数据的功能，每分钟输出一次。若探测仪出现异常应显示故障报警信息。可靠性及可维护性要求可靠性探测仪应进行可靠性设计、试验和验证工作。满足平均无故障工作时间（MTBF）大于5000小时的要求。可维护性（1）检测应配备维修探测仪所需的常用零部件、专用检测仪器，并详细说明专用检测仪器的使用方法。（2）技术文档为保障设备的正确安装和正常运行，保障维护、维修工作的顺利开展，每套探测仪应配有完备的技术文档。主要包括以下文档：《技术手册》、《安装和使用手册》和《维修手册》等。GPS对时要求探测仪应具备GPS自动对时功能。若GPS对时失效，应提供提示信息。结构和外观要求结构要求（1） 机械结构应利于装配、调试、检验、包装、运输、安装、维护等工作，更换部件时简便易行；（2） 各零部件应安装正确、牢固，无机械变形、断裂、弯曲等；（3） 操作部分不应出现迟滞、卡死、松脱等现象；（4） 电路板、接插件、电线电缆排列规范，标识清晰。外观要求（1） 外观应整洁，无损伤和形变，表面涂层无气泡、开裂、脱落等现象；（2） 设备名称、型号、生产厂家等标识应全面、清晰、准确。材料与涂覆（1） 应选用耐老化材料、抗腐蚀材料、良好的电气绝缘材料等，禁止使用不符合有关国家标准或行业标准的劣质材料。（2） 各零部件，除用耐腐蚀材料制造的外，其表面应有涂、敷、镀等工艺措施，以保证其耐潮、防霉、防盐雾的性能。（3） 需要涂覆的零件，表面涂、敷、镀层应均匀，覆盖面达100%。通讯要求通讯标准探测仪本地采用RS-232协议传输数据；远程采用TCP/IP协议传输数据。通讯参数（1）波特率：支持调节范围为9600bps-115200bps；（2） 数据位：8；（3） 停止位：1；（4） 校验方式：无。通讯类型（1） 有线传输（2） 无线传输安全要求安全标记及要求标记符合GB4793.1-2007《测量、控制和实验室用电气设备的安全要求》关于“设备用图形符号”的要求，低压直流电源接入端口以红色“+”和黑色“－”标出极性，并标明额定电压值。基本电器安全要求1） 探测仪必须接地；2） 所有电源和信号端口均应采取防雷电电涌侵入措施。其它要求（1）仪器设备结构上的棱缘或拐角，应倒圆和磨光；（2）探测仪的各种部件，如支柱等，应有足够的机械强度和防腐蚀能力，确保在产品寿命期内，不因外界环境的影响和材料本身原因而导致机械强度下降而引起危险；对于在产品寿命期内需要定期维护或更换的部件，应在产品使用说明书上醒目地注明更换周期并着重注明不这样做的危险性；（3）用作电气连接或其他连接的螺钉连接件，应能承受正常使用时的机械压力。10防雷要求一般要求探测仪应具备防直接雷击和防雷击电磁脉冲的措施，防雷安全要求和设计应符合行业标准的要求。防雷类别的确定：根据QX4-2000《气象台（站）防雷技术规范》第6条的规定确定防雷类别。直接雷击的防护措施探测仪应处在接闪器的保护范围内。接地体的接地电阻应不大于4Q。处在高山、海岛等岩石地面土壤电阻率大于1000Q・m的气象台（站），接地体的阻值可适当放宽，但应围绕基础接地体敷设环型接地网，环型地网等效半径不应小于5m，并使用四根以上导体与基础接地网连接。雷击电磁脉冲的防护屏蔽措施探测仪的信号传输线应采用屏蔽电缆，采用非屏蔽电缆时，应外穿金属管。电缆的屏蔽层和金属管两端应接到地网上。设备到室内的电缆线应敷设在电缆沟内，如没有条件时电缆在入户前应穿金属管埋地，埋地水平距离宜大于15m。等电位连接和采用共用接地系统采用共用接地系统（地网），将所有金属部件就近连接到该接地系统上。电涌保护措施（1）供电系统的电涌保护措施采用电网或自备发电机供电时，应在交流配电盘处加装冲击通流量I.不小于12.5kA的电源电涌保护器（SPD）；imp供电系统的电涌保护器的安装要求，应符合GB18802.1-2002《低压配电系统的电涌保护器》规定；（2）信号系统的电涌保护措施设备输入端应加装适配的信号电涌保护器（SPD）；信号系统电涌保护器的性能技术指标和安装要求，应符合QX4-2000《气象台（站）防雷技术规范》第9条的规定。

附录1数据格式附表1探测仪的探测数据格式序号数据名称数据内容数据类型字节数1FrameStartID帧起始标志(0x01)char12SensorlD国家网IDshortint23FrameTag类型(0-状态，1-正地闪，2-负地闪，3-云闪脉冲)char14Year过阈值时间的年shortint25Month过阈值时间的月char16Day过阈值时间的日char17Hour过阈值时间的小时值char18Minute过阈值时间的分钟值char19Second过阈值时间的秒值char110DecimalOfSecond过阈值时间的秒的小数位long411Bns南北峰值磁场float412Bew东西峰值磁场float413E峰值电场float414PP-Decimal峰点时间shortint215HWP-Decimal后过零点时间shortint216保留位1long417保留位2long418保留位3long419保留位4long420保留位5long421保留位6long422保留位7shortint223保留位8char124CheckSum帧校验和char125FrameEndID帧结束标志(0x03)char1数据长度60个字节

附表2探测仪的运行状态数据格式序号数据名称数据内容数据类型字节数1FrameStartID帧起始标志(0x01)char12SensorlD国家网IDshortint23FrameTag类型(0-状态，1-正地闪，2-负地闪，3-云闪脉冲)char14Year当前时间的年shortint25Month当前时间的月char16Day当前时间的日char17Hour当前时间的小时值char18Minute当前时间的分钟值char19Second当前时间的秒值char110ResultOfSelfTest设备工作状态值(00-无自检，10-自检正常，11-自检异常)shortint211Longitude最近一次自检开始时的GPS经度float412Latitude最近一次自检开始时的GPS纬度float413TMainBoard主板温度float414TPower电源温度float415VMainBoard主板电压float416VPower电源电压float417SClock时钟稳定度float418TCR单位时间噪声量float419保留位1long420保留位2long421保留位3long422保留位4char123CheckSum帧校验和char124FrameEndID帧结束标志(0x03)char1数据长度60个字节15附录2终端操作命令格式说明（1）各种终端命令由命令符和相应参数组成，命令符由若干英文字母组成，参数可以没有，或由一个或多个组成，命令符与参数、参数与参数之间用1个半角逗号分隔；（2）在计算机超级终端中，键入操作命令后，应键入回车换行键，本格式中用“/”表示；（3）返回值的结束符均为回车/换行，本格式中返回值用“<>/”给出；（4）命令非法时，返回出错提示信息“BADCOMMAND”；（5）若无特殊说明，本部分中使用YYYY-MM-DD,HH:MM:SS表示日期、时间格式。1帮助（HELP）此命令用于显示完整的探测仪命令表。此命令没有参数。键入命令：HELP/返回终端命令清单，各命令之间用半角逗号分隔。2设置或读取设备的通讯参数（SETCOM）命令符：SETCOM参数：波特率数据位奇偶校验停止位示例：若设备的波特率为9600bps，数据位为8，奇偶校验为无，停止位为1，若对设备进行设置，键入命令为：SETCOM,9600,8,N,1/返回值：<T>/表示设置成功，<F>/表示设置失败。若为读取设备块通讯参数，直接键入命令：SETCOM/正确返回值为＜9600,8,N,1＞/。注：非特殊情况