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1、雷电预警系统大气电场仪用户手册中科院空间科学与应用研究中心雷电探测研究室二零零五年十月目 录一、大气电场仪的工作原理2二、雷电预警系统的构成3三、大气电场仪的结构3四、电场仪技术规格7五、电场仪的实现功能8六、电场仪的安装基座8七、电场仪的设置操作97.1DIP开关的设置97.2NPort的设置107.2.1 运行IE浏览器107.2.2 Basic Settings117.2.3 Network Setting127.2.4 Serial Settings127.2.5 Operating Setting137.2.6 Save/Restart147.3中心站数据显示157.4探头数据输出及
2、帧格式177.5LED灯的指示含义18八、新研制产品的优势18九、电场仪的应用范围18引 言 电场是雷云累积程度的特征参量。为了保障航天器的升空安全，航天器发射准则中明确地规定了地面电场和空间电场的数值范围，即地面电场一般要求1KV/m，发射场上空的空间电场一般要求10KV/m，而这些数据都是靠电场仪现场实际测量来提供的，所以电场仪是航天器发射场区上空大气电环境监测和雷电预警重要设备之一。那么，电场仪的原理是什么，它是如何实现这些功能的？下面就阐述我们研制的电场仪的特点。一、 大气电场仪的工作原理图1 云电荷变化地面电场仪是直接安装在地面上进行电场测量的。如图1所示，与云底部相反的电荷会被地面
3、电场仪感应到，而在地面电场仪灵敏度范围内，地面电场仪上的感应电荷强度与云底部附近的电荷成正比，因此地面电场仪可以帮助我们实时探测其周围地区的大气电场信号。太阳风、等离子体以及磁气圈中地磁场的交互作用，形成了太阳风与磁气圈之间的大气电场层。正常条件下，大气电场强度为每米几百伏，但是暴风雨的来临能推进大气电场强度到每米几千伏。在晴朗的天气里，电场强度范围是：+500V/m到-500V/m。接近雷暴的时候，电场强度随着闪电能量的增加而逐渐增加。电场强度达到+/-2KV/m，说明闪电的能量高。而当雷暴产生时，大气电场强度能增大到14KV/m以上。由于这个变化过程较为缓慢，大概需要30分钟左右的时间，所
4、以我们可以使用地面电场仪来了解其周围地区雷暴的发展活动状况，并预测严厉暴风雨的可能性。二、 雷电预警系统的构成 如图2所示，首先，地面电场仪实时探测到其周围地区的电场信号，然后通过数据采集系统进行一系列数字信号处理，并通过网络通信方式将电场数据传送到计算机上。计算机软件系统可分为地面电场数据处理软件和图形显示软件两大部分，地面电场数据处理软件使用VC#.net平台开发，图形显示工作站使用VC#.net平台和MapInfo MapX 5.0控件开发。图2 闪电预警系统结构框图三、 大气电场仪的结构 图3 电场仪外观 图4 仪器舱内部结构示意图图5 电源盒接口示意图图5 电缆连接图四、 电场仪技术
5、规格仪器舱物理尺寸 直径 120mm 高度 130mm 质量 1.34kg操作参数 输入范围 -10KV/m+10 KV/m模拟输出 -5V+5V，05V 数字输出 ASCII输出，固定9600波特率信号接口 9-导体电缆，RS232，全双工输入/输出 线性关系 精度 10V/m 报警 通过模拟输出或数字输出报警，或（KV/m）报警 材料 铝、铜、不锈钢、涂料、橡胶、防腐粉末等 环境 温度：CC，湿度：0%100%，场地：平坦空旷 测量准确性 测量范围 半径5-12公里可靠性 100%告示电场变化错误报警 0%响应时间 1秒电参数电机角速度 1380r/m电源提供 12 V AC/DC模块供电
6、电力消耗 5W设备物理参数高度 1200mm 宽度 300mm 质量 6kg五、 电场仪的实现功能a) 实时以数据列表的形式显示地面电场数据；b) 实时绘制地面电场的时间变化曲线；c) 实时探测来自电场变化的闪电冲击；d) 在Internet上实时共享数据，比较不同地理位置上暴风场强的变化；e) 实时动态分析、显示、记录、处理暴风雨期间的电场探测数据；f) 自动保存地面电场资料，以备资料的再处理、浏览以及分析研究用；g) 设置雷暴临近等级报警阈值，当闪电位置或地面电场值达到报警阈值时，发出报警；并监测雷暴放电次数。六、 电场仪的安装基座 尽可能选择交通便利、有生活办公用房，有水电、有基本通信设
7、施或通信能力的地点，降低施工难度，节省建设经费，并为日后设备维护创造条件。电场仪应安装在平顶建筑物上面或比较空旷的地区。在探测仪的四周20米内的水平线以上无遮拦物，并且要求地面平整清洁，无长草等杂物；在20米以外的10度仰角以上无较大遮拦物。电场仪应尽量远离能够产生静电干少的设备，如电器，马达，高大金属物体等。各站点具体位置一般设在观测场，由于大小、高度比雨量计大一些，一般和雨量计放在一排，电源通讯线通过地沟引到观测站，数据再通过网络转化接口接入系统网络，电源直接和观测站电源连接。图6 安装地基施工图七、 电场仪的设置操作7.1 DIP开关的设置 DIP开关1-8表示独立系统内大气电场仪的标识
8、编号，八位二进制数00H-FFH表示0-255号，一共256个电场仪站点的编号。如图7所示，开关拨到ON表示二进制数的“0”，1-8位表示二进制数的高位到低位，例如图中所示的状态表示二进制数“10001001”，即电场仪编号为137#。图7 DIP开关的设置7.2 NPort的设置NPort5110支持Web方式设置：首先确定NPort和你所使用电脑在同一网络中，且IP地址段相同。7.2.1 运行IE浏览器在地址栏中输入NPort5110的IP地址（出厂设置IP为”192.168.127.254”）。图8进入如下界面：图97.2.2 Basic Settings选中左侧菜单中的” Basic
9、Settings”，将”Web console”和”Telnet console”都选为”Enable”。图10按”Submit”按钮提交设置后，按”Back”返回。图117.2.3 Network Setting选中左侧菜单中的” Network Setting”，按照当地提供的网络信息设置”IP address”，”Netmask”，”Gateway”。将”SNMP Setting”选为”Disable”，其他可如图12设置。图12设置好后，按”Submit”提交，按”Back”返回7.2.4 Serial Settings选中左侧菜单中的”Serial Setting”下面的”Port1
10、”，各个选项设置如图13。图13设置好后，按”Submit”提交，按”Back”返回7.2.5 Operating Setting选中左侧菜单中的” Operating Setting”下面的”Port1”，将”Operation mode”选为”UDP Mode”，如图14：图14UDP Mode设置界面如图14图15其中”Destination IP address 1”和 ”Destination IP address 2”分别为北京和本省中心站的IP地址，其他各项如图15填写即可。设置好后，按”Submit”提交，按”Back”返回7.2.6 Save/Restart选中左侧菜单中的”
11、Save/Restart”图16按”Submit”按钮，出现如图16提示，表示前面所有设置已生效。图17注意：如果NPort5110的IP地址已被改动过，且不知道改动后的地址，可将NPort复位成出厂设置。方法为在通电情况下用笔尖压住NPort5110的“RESET”（复位）键10秒钟以上。NPort即会复位成出厂设置。7.3 中心站数据显示对单个电场仪站点来说，电场的时间变化曲线能够形象地显示其周围地区雷暴产生前后电场强度与时间的关系。举例说明，如图18所示，2005年12月29日在实验室实测数据曲线，纵坐标，电场强度（KV/m），横坐标，时间（十进制小时），其中每个“长针”代表闪电放电一次
12、。“长针”频率越高，暴风雨所带电的强度就越大，整个连续的“长短针”走向，就是暴风雨的振动。图18（a）电场强度变化曲线 图18（b） 电场强度变化曲线对多个电场仪站点来说，以地理信息图形式显示的图形显示工作站是最好的显示方式，它能够同时显示各个站点电场强度的变化，便于相互比较，从大局上采取雷暴预警措施。图形显示工作站从数据库读取闪电定位数据和电场探测数据，在电子地图上实时显示闪电信息和各个地面电场仪的覆盖区域的电场强度值。图形显示工作站通过分析实时的闪电和电场探测数据，根据雷暴临近等级发出报警，并把雷电报警信息存入数据库。举例说明，如图19所示，福建省、江西省雷电定位图形显示系统，可以用不同的
13、颜色标记正闪、负闪，并能看出雷云的发展走向。 图19 13：00-17：00闪电移动趋势图（13:00-14:00绿色、14:00-15:00黄色、15:00-16:00 蓝色、16:00-17:00红色）7.4 探头数据输出及帧格式序号数据名称数据内容数据类型字节数1FrameStart ID1帧起始标志第一字节(0EBH)byte12FrameStart ID2帧起始标志第二字节(90H)byte13EFM-H8大气电场值的高8位Byte14EFM-L4大气电场值的低4位Byte15EFM-Num该大气电场仪的编号byte16FrameEnd ID1帧结束标志第一字节(0DH)byte17
14、FrameEnd ID2帧结束标志第二字节(0AH)byte1帧长度： 7字节表17.5 LED灯的指示含义a) CPU板上三个LED灯中，D1表示CPU正在工作；D2表示A/D转换数据的频率；D3表示串口数据传输的频率。b) 电源盒内五个LED灯中，D8表示直流+12V；D9表示直流-12V；D10表示直流+5V；D11表示直流+8V；D12表示直流-8V。c) Nport上面三个LED灯中，Ready表示Nport是否工作，灯亮黄色表示正常工作，不亮表示工作不正常；Link表示网络连接，灯亮黄色表示网络连接正常，不亮表示网络连接有误；Tx/Rx表示数据的接收，灯闪表示正常。八、 新研制产品的优势 我们研制
