闪电定位仪讲解

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1、絃述Z伉揺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 号二0三年一月二日1引言2系统设计32.1闪电的放电过程和描述参量32.2闪电的平面方位角计算52.3闪电的平面距离计算62.4系统整体框图73硬件设计73.1数据采集卡83.2电源模块83.3数据选择器电路93.4I/V转换电路93.5比较器电路103.6计数器电路103.7 D/A转换电路114软件设计115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

2、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 的主要特点是:电流大，电流高达几万至几十万安培;时间短，雷击过程

3、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、几万甚至几百万伏高压，足以让人畜毙命，电气设备毁坏。 雷电

4、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，更可试试显示雷电的发生发展， 甚至可以为雷电的预报报警服务。

5、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f初始 击穿f梯级先导f联接过程f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: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,进入起始击穿的后期，这时电子与空气分子 发生碰

6、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。从地面向上发展起来的 反向放电，不仅具有电

7、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，而以后各次闪击的情况与第二闪击的 情

8、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，(1) 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 一 380毫秒，平均值是50 一 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个回击的闪电

9、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

10、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II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。相对基准线是指偏离正

11、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二-（lx a + 3 x a + 5 x a + 7 x a ）160123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。4II桶止寸圮汐扌誉 亦T*i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）:22.5(lx w + 3x w + 5x w + 7x w )B=0+2

12、3-w + w + w + w0123计算绝对角度a (相对于正南方向的闪电的平面方位角)：a= p +a( 3 )0其中a视基线位置而异，a自东南偏南22.5。起，逆时针取值依次为：0 022.5, 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)。Z= z( 4 )ii=

13、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2.3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，速度约为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(t20.2)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

14、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

15、后得到e i、e 2,测站2测出的闪电 平面方位角经修正后得到9 3、9 4,则角度射线的交点会形成一个平面区域ABCD,即雷击区 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dO。据三角形正弦定理，有：sin（兀 一。-0 ）: sin0 : sin0 二d : S : S244201A2 A（6）则cd sin 0cd sin 0S 二04，S 二021A sin（兀一0 -0 ）2A sin（兀一0 -0 ）（7）2424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ABCD内。若方位角的定位精度提高了，则平面区域ABCD的面积会大大减小，整个定位系 统的定位精度就会得到大大提高。2.4系统整体框图系统整体框图如图3所示。闪电光探测装置雷电探测装置图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