《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
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二Ｏ一三年一月二日
目录
1引言 (3)
2系统设计 (3)
2.1闪电的放电过程和描述参量 (3)
2.2闪电的平面方位角计算 (5)
2.3闪电的平面距离计算 (6)
2.4系统整体框图 (7)
3硬件设计 (7)
3.1数据采集卡 (8)
3.2电源模块 (8)
3.3数据选择器电路 (9)
3.4I/V转换电路 (9)
3.5比较器电路 (10)
3.6计数器电路 (10)
3.7D/A转换电路 (11)
4软件设计 (11)
5总结 (12)
6参考文献 (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。
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。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5Om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: m=01231(1357)16
a a a a ??+?+?+? (1) 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β角度(相对于相对基准线的闪电的平面方位角)：
β=01230123
22.5(1357)w w w w w w w w ???+?+?+?+++ （2） 计算绝对角度α(相对于正南方向的闪电的平面方位角)：
α= 0βα+ （3） 其中0α视基线位置而异, 0α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) 。
Z=70i i z
=∑ （4）
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(t ≥0.2)s,则雷击点到测站的平面距离d(单位:km)为:
d=0.34(0.2)1t ?-+ （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θ1、θ2,测站2测出的闪电 平面方位角经修正后得到θ3、θ4,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d0。据三角形正
弦定理, 有:
2442sin():sin :sin πθθθθ-- =012::A A d S S (6)
则 1A S =0424sin sin()d θπθθ?--，2A S =0224sin sin()
d θπθθ?-- （7） 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。 CPU 显示数据采集
系统
雷电探测
装置
闪电光探
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,采用滨松公司的S6967硅光电池。
3.1数据采集卡
本文采用研华公司的ADLinkDAQ/pXI一2010数据采集卡,其工作原理如图4所示。DAQ2O10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,模拟直流信号从输入端口输入,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)送到数据缓冲区(FIFO)。数据转移到系统内存中可以采用DMA方式传送,也可以由CPU控制进行同步采集。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DMA功能；8K A/D FIFO；4种A/D转换触发模式。
图4 DAQ2010工作原理图
3.2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
3.3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
3.4I/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
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CPLD要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
3.6计数器电路
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l,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
将数字信号转换为模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对应模拟量为1.25V,01对应模拟量为2.5V,10对应模拟量为3.75V,11对应模拟量为5V。
图9 D/A转换电路图
电路输出信号DOUT接入数据采集卡通道O,AOUT接入数据采集卡通道1,系统启动后,程序一直处于监控状态,数据采集卡等待触发脉冲,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,即闪电光强信号和电磁信号。
4 软件设计
软件流程图如图10所示。
图10 软件流程图
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，发展新型雷电探测技术也是非常必要的。闪电所引起的电场变化，作为一种自然现象是十分复杂的，想要对其进行完全的分类识别几乎不可能，但是闪电波形识别作为一项闪电探测系统中必不可少的使用技术还需要进一步完善与发展。这需要利用闪电探测系统对闪电的发生发展过程做出更为深入发研究，只有对于闪电现象有
了充分的了解和合理的理论解释，才有可能使得所探测到的闪电信号与各类闪电放电过程一
一对应起来。闪电定位系统是研究雷电特性很重要的资源，通过不断更新，探测设备不断完善，研究方法不断提高，假以时日，其应用将更加广泛。
参考文献：
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雷电监测定位系统ADTD 雷电探测仪 用户手册 中国科学院空间科学与应用研究中心ADTD雷电监测定位系统课题组 二○○四年十月
目录页号 一、概论 2 1.1 ADTD 雷电探测仪的工作原理 2 1.2 雷电监测定位系统的构成 3 1.3 雷电探测仪的结构 4 二、ADTD 雷电探测仪的技术功能指标 11 2.1 每个雷电探测仪布站配置 11 2.2 雷电探测仪布站连接简图 11 2.3 雷电探测仪的主要技术指标 11 三、雷电探测仪的安装 13 3.1 安装场地要求 13 3.2 安装基座 13 3.3 探头供电 13 3.4 探头接地 13 3.5 通讯标准及波特率17 3.6 探头与中心数据处理站间的通信 17 3.7 通讯电缆 18 3.8 探头的安装及水平调节 18 3.9 探头NS磁场天线环方位的调整 18 3.10 探头的初次通电 22 3.11 探头的密封 22 四、雷电探测仪运行设置和操作 23 4.1 DIP开关的设置 23 4.2 探头的运行方式 25 4.3 探头的数据输出及帧格式 25 4.4 自动自检 28 4.5 探头命令 28 4.6 CPU板、PDL板以及电源/接口板上的LED灯的涵义 39 五、雷电探测仪维修 41 5.1探头的检修维护 41 2维修程序设置及测试终端连接 44 5.3探头故障修理 47
一、概论 1.1 ADTD 雷电探测仪的工作原理 ———闪电物理特性，探测原理，处理技术 大量的气象观测、卫星探测仪以及很多国家的电学测量等综合分析表明，全球在任一时刻都有上千个雷暴在活动，大多数发生在较低纬度地区，但两极地区也时有发生。由于雷电在现代生活中，仍然威胁着森林、引燃火工品、造成人员的伤亡，对航天、航空、通讯、电力、建筑等国防和国民经济的许多部门都有着很大的影响。因此各国都很重视雷电的研究与防护。 闪电可以分为：云闪（包含云与云、云与空气、云放电）、云地闪、诱发闪电、球闪等多种，其中对地面设施危害最大的是云地闪电。云地闪电又可以细分为：正闪（正电荷对地的放电）和负闪（负电荷对地的放电）。目前，闪电探测仪主要用来探测云地闪，并且能区分正负极性。 一次闪电的放电过程如下所述： 云层荷电形成电分布—初始击穿—梯级先导—联结过程—第一回击—K过程—J过程—直窜先导—第二回击—………。 闪电的放电过程中最重要的是回击过程，因为回击的电流大，辐射的电磁场强，是形成故障造成危害的主要原因。回击的放电特征参量为： 1.回击的放电时间：指回击发生时的自然时间。 1.闪电的回击数：每次闪电的回击次数。 1.回击发生的位置：回击通道取垂直分量在地面或者在目标上的投影。 1.回击的电流值：指回击电流波形的峰值。 1.回击电流波形陡度最大值：指回击放电过程中单位时间电流变化的最大值，它反映了闪电回击放电最剧烈时的状况。 1.回击波形前沿持续时间：指回击电流波形中，从2KA到峰值电流的过渡时间。 1.放电电荷：指每次回击放电所释放出的电荷，即电流对时间的积分。 闪电监测定位系统从理论上讲，其核心是通过几个站同时测量闪电回击辐射的电磁场来确定闪电源的电流参数。Maxwell方程组和特殊路径上的传播影响，将两者联系起来。高精度雷电定位系统将测量每次回击放电辐射的电磁脉冲的下列参量： *回击的放电时间
景区雷电预警系统 闪电定位仪智能防雷系统 使 用 说 明 书 河南汇龙合金材料有限公司 技术部刘珍 2018年5月
随着电子信息技术的飞速发展，雷暴灾害造成的经济损失、社会影响力越来越大。雷暴什么时候会发生?在石化企业、油库、加油站、旅游景区，学校等重要场所,必须要做到提前预知、预警、预防。 雷电预警系统是一个雷电电场检测、信号处理、判断、告知、执行的一个结构。在雷暴来临之前,使我们有充足的时间启动紧急预案，减少人员伤害和经济损失。
固态雷电预警系统根据军用技术要求设计制造，系目前国内进的安全化、智能化、数字化的雷电预警系统及雷电检测基础平台。 产品参数： 01 工作电源：太阳能电池板 02 工作电压：12VDC 03 配备电池：铅酸电池12V/65Ah 04 待机功耗：0.5W（无数据通信） 05 工作功耗：2W（有数据通信） 06 数据通信接口：GPRS 07 探头直径：217mm 08 支撑杆直径：60mm 09 支撑杆高度：600mm 10 电场探测强度范围：-50kV～+50kV /m 11 预警范围：8～15km 12 工作温度：-20℃～60℃ 13 工作湿度：20%～90%（控制主机） 14 防尘防水等级：IP65（探头），IP20（控制主机） 15 探头重量：约1.5kg 16 主机重量：约4kg 17 总重量：约45kg
18 预警形式：三级预警输出 机场停机坪雷电预警系统雷电监测预警系统 主要作用 能在雷击发生前的5~30分钟发出雷电预警告警信号； 提醒野外作业人员及时停止或暂停室外作业，进入安全地带避雷，防止雷击伤害； 对某些可能造成重大危害的作业，雷击前及时采取适当措施，防止重大雷击事故发生； 采取自动分合闸系统使供电线路隔离雷电，自动切换UPS或启动发电机组供电，对一些重要设备或不可中断的有价值的服务提供保护；对环境灾害，例如森林防火等提供保护。
余姚市闪电定位资料与人工观测雷暴日的对比分析 苏梦杰，沈红军，陈美春 （浙江余姚市气象局，浙江，余姚 315400） e-mail：mysu1986@https://www.doczj.com/doc/2618013829.html, 摘要：根据余姚市2010-2013年人工观测雷暴日数与闪电定位仪雷电日数资料，分析了雷暴日数与雷电日数的关系、两者对计算地闪密度相关性的分析，得出余姚市闪电活动的规律，找出适合余姚市的地闪密度计算公式。 关键词：闪电定位仪；雷暴日；雷电日；经验公式 引言 宁波地区在2009年开始使用闪电定位仪观测记录闪电数据。闪电定位仪作为对人工观测的补充，对雷击大地的年平均密度分析具有重要的意义。本文通过余姚市闪电定位仪数据及人工观测雷暴日资料进行分析，得出余姚市雷暴活动的一些规律。 1 资料来源及方法 使用宁波市2010-2013年4a的闪电定位仪数据及余姚市人工观测雷暴日资料进行分析。通过比较余姚市国家一般观测站周围各公里数范围内，以及余姚市全市范围内雷电日数与人工观测雷暴日数进行对比，分析闪电定位仪与人工观测特点，及比较，通过闪电定位仪或人工观测得出余姚市地闪密度。 2 分析 2.1人工观测雷暴日与闪电定位仪雷电日数 辨识雷声是人工观测雷暴日的主要手段，但雷声的传播在环境条件较好的情况下最多也只有20km。另外，由于地形因素、环境噪音影响，观测员听力因素、观测时间等均影响观测员对雷暴日的记录。而闪电定位仪利用闪电辐射的声、光、电磁场特性来遥感闪电放电参数的一种自动化探测设备，其处理的数据相对比较客观。余姚市国家一般观测站位于北纬30.0541°，东经121.1851°，根据此经纬度算得5km范围、10km范围、20km范围四周的经纬度值。筛选各经纬度范围内的地闪，只要有地闪记录，则该日被统计为雷电日。 表1 2010-2013年余姚市人工观测雷暴日与闪电定位仪雷电日对比表（单位：d） 从表1可以看出，从全市范围来讲，2010-2013年闪电定位仪雷电日年平均为95d,最多的是2010年达到111d，几乎是全年的1/3，最少的是2013年85d，且全市雷电日数，呈逐年下降的趋势。这个规律从5km、10km、20km范围的数据也可以看出；同时人工观测雷暴日数也呈逐年下降的趋势，2010年最多达到38d，2013年最少仅为21d。比较人工观测雷暴日与闪电电位仪雷电日的数据，其相差还是很大的，甚至5km雷电日数仍约为人工观测雷暴日数的1.7倍。人工观测雷暴日的受限条件比较多，特别是余姚市国家一般观测站位于市区，周围为余姚市主干道，噪音巨大，限制了人工观测的准确性；闪电定位仪能较完整的记录各个强度的闪电，而人工观测对小强度的闪电观测存在难度，2010年闪电强度在-10至+10之间的闪电占14.72%，2011年占14.31%，2012年占13.31%，2013年占16.00%；人工观测和闪电定位仪对日界的划分不
《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Ｏ一三年一月二日
目录 1引言 (3) 2系统设计 (3) 2.1闪电的放电过程和描述参量 (3) 2.2闪电的平面方位角计算 (5) 2.3闪电的平面距离计算 (6) 2.4系统整体框图 (7) 3硬件设计 (7) 3.1数据采集卡 (8) 3.2电源模块 (8) 3.3数据选择器电路 (9) 3.4I/V转换电路 (9) 3.5比较器电路 (10) 3.6计数器电路 (10) 3.7D/A转换电路 (11) 4软件设计 (11) 5总结 (12) 6参考文献 (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。
增刊论文 闪电定位仪安装使用和维护 新疆气象技术装备保障中心：彭坚1李志勇2 （ Tel:2690448 邮编：830002） 摘要：为加强对雷暴天气的监测和预警,2011年开始新疆气象部门启动了雷电监测网的建设,目前已经有10套设备投入业务运行,为全疆的防雷减灾、预报预警提供了探测依据。本文对目前新疆雷电监测站安装使用以及运行中出现的情况作介绍，并对使用维护提出自己的见解, 为雷电监测站的正常运行提供技术保障和支持 关键词：闪电定位仪安装使用维护 1引言 闪电定位仪（雷电监测定位仪）是指利用闪电回击辐射的声、光、电磁场特性来遥测闪电回击放电参数的一种自动化探测设备。1980年代初，云地闪波形鉴别技术的出现和应用，使云地闪探测效率达90%以上。进入90年代，由于GPS技术的使用，雷电监测在测向系统的基础上增加GPS时钟，形成时差测向混合系统，同时采用数字波形处理技术(DSP)，对波形作相关性分析、定位处理，使雷电定位精度和探测效率都有明显提高。现在多采用多站法雷电定位系统，它定位精度高、探测参量多，但设备复杂，需要通信网、中心数据处理站。目前，雷电监测定位系统已广泛应用在雷电的监测、预报、雷电防护及雷电研究中。 为适应新疆防雷减灾需要，2011年，全疆已建10套雷电监测设备，2012年将建设23套，实现覆盖全疆的区域性雷电监测网，对雷电进行监测、定位，实时地监测雷电的活动，获得到每一雷击的发生时间、地理位置、强度、极性等参数，对灾害性天气机理的研究和预报提供宝贵的资料，对研究和预报灾害性的天气活动，保障电力、通信、航空航天、林业、军事以及人们生命财产安全运行发挥重要的作用。 2 ADTD 型闪电定位仪简介 ADTD 型闪电定位仪是中科院空间科学研究中心和华云公司合作研发的雷电监测仪器。工作原理是利用闪电回击辐射的声、光、电磁场特性来遥测闪电回击放电参数，并把经过预处理的闪电数据实时通过网络通信送到中心数据处理站实时进行交汇处理，可全天候、长期、连续运行，并记录雷电发生的时间、位置、强度和极性等指标。设备整机由天线罩、电磁场天线、GPS 模块、电子舱、电源盒、串口服务器和配电等系统组成( 如图1) 1彭坚：1970年生，男，高级工程师，主要从事各类气象设备的监控管理和技术保障工作E-mail：pengjxj@https://www.doczj.com/doc/2618013829.html, 2李志勇：1957年生，男，高级工程师，主要从事各类气象设备的技术保障和运行管理工作E-mail：lzyong191@https://www.doczj.com/doc/2618013829.html,
VLF/LF三维闪电定位系统中心数据处理站 使用手册 中国科学院电工研究所 2013年5月
目录 第一章软件安装 (2) 第二章软件参数配置 (3) 第三章软件使用说明 (5)
第一章软件安装 一、在D盘根目录下建立“thundercenter”文件夹 二、将中心站定位软件“ProvinceThunderSystem”文件复制到“thundercenter”文件夹下，并在同目录下手工创建本地数据存储文件夹“data”
第二章软件参数配置 打开“ProvinceThunderSystem”文件夹，配置如下三项信息： 一、address.ini状态信息和闪数据转发目的IP和端口配置 其中localip和localport为中心站本机IP和发送端口；remoteip 和remoteport为发送到目的主机的IP地址和端口号（端口号默认7012不用修改）；data为发送数据类型（data=l表示发送定位结果，data=s 表示发送状态数据）；[Addr1]、[Addr2]....依次编号，各项之间空一行。 例如180.184.100.90的中心站把状态信息发送到180.184.100.91状态监控主机的4011端口，把定位结果转发到180.184.100.92图形显示主机的4012端口，配置如下（加粗为需要修改项）： [Addr1] localip=180.184.100.90;----------------------------中心站本机IP地址 localport=7012;---------------------------------------数据转发端口 remoteip=180.184.100.91;-------------------------数据发送目的IP地址 remoteport=4011;-----------------------------------数据发送目的端口 data=s; [Addr2] localip=180.184.100.90; localport=7012; remoteip=180.184.100.92; remoteport=4012;
闪电定位仪检查方法 当发现有台站没有数据传输时，请台站用下列方法进行检查。 工具：十字改锥，万用表 步骤： 1.打开探测仪下半部的方形舱的舱盖，里面电源盒上有灯的一面。 图1 2.查看电源盒上的灯（发光二极管），共8个，分左右两组（图1中黄圈部分）。
图2 3.查看是否右边的4个灯常亮，如果右边的4个灯不亮，请先查看保险丝是否有效，方法是顺时针拧开（图2）。再检查室内对探测仪供电的插头是否插上，室内插头如图3， 图3 注意区分闪电定位仪的供电插头和NPort的电源插头。正常工作情况下电源中的右边四个LED灯常亮如图4，这表示供电正常。
图4 4.如果右边的4个灯常亮，请看左边的4个灯从左数起第1个常亮，从左数起第3个每三十秒闪一次（图3中白色圆圈中的两个LED 小灯）。若“是”，则说明设备自检通过，状态数据也正常发送，此时若还无数据请检查NPort的灯是否正常，插头（前面板9孔插头和后面板网线插头）是否松动，请插紧。 5.如果右边的4个灯常亮，而左边4个灯不亮，用万用表测量有蓝色引出线的插头（共8芯），左一为地线，四种电源分别为+12V，-15V，+15V，+5V，对应引出线分别为左数2，4，6，8。看输出电 压是否成正常，如不正常，需更换电源盒。
状态灯说明 1．电源/接口板（电源盒） 图6 如图6，电源实物图和简化图上的LED小灯（图中黄框部分）一一对应，电源/接口板上面右侧的四只LED灯的点亮，标志着+5V、+15V、-15V以及+12V电源的正常工作。 在开始自检时，FL灯以一秒为周期闪烁，表示正在进行GPS定位；定位成功后，进入自检，此时ST和FL灯亮。自检结果如果正
利用闪电定位资料和人工观测资料确定雷暴日数的方法 陈星宇，孙文龙 （烟台市气象局，山东烟台264003） 摘要应用2007年人工观测资料和闪电定位仪资料，针对雷暴日数对2种资料进行了分析，提出了利用闪电定位资料和人工观测资料 共同确定雷暴日数的方法， 以便更加准确地描述雷暴日这一参数。关键词雷暴日数；闪电定位；人工观测中图分类号P427．32文献标识码A 文章编号1004－8421（2012）07－888－02The Method of Lightning Location Information and the Artificial Observation Data to Determine Thunderstorm Days CHEN Xing-yu et al （Meteorological Bureau of Yantai ，Yantai ，Shandong 264003） Abstract Application of artificial observations and the Lightning Detection System data in 2007，analysis two kinds of data for thunderstorm days．In order to more accurately describe this parameter of thunderstorm days ，using lightning location data and human observations to deter-mine the number of thunderstorm days． Key words Thunderstorm days ；Lightning location ；Artificial observation 作者简介 陈星宇（1981－），男，内蒙古赤峰人，工程师，从事雷电防 护技术推广工作。 收稿日期2012-05-27雷暴日数反映了当地雷电活动频繁程度的参数之一，在防雷工程设计、雷击风险评估、防雷图纸审核中是一个重要的参数， 以往观测雷暴日数的手段是人工观测，这种观测方式受到观测站点布置、 观测人员水平、地理地形的影响，但是观测资料所积累的时间比较长，一般的观测站都有几十年的观测资料。随着科技的发展， 全国布网的闪电定位仪的应用在一定程度上解决了人工观测覆盖范围小的缺陷，但是由于其投入运行的时间短，资料积累的时间跨度短，在确定雷暴日的准确度上还需进行比对。笔者就2007年的闪电定位资料和人工观测资料进行分析，提出了比对分析的方法，并在确定雷暴日数上进行了探讨。1资料介绍1．1 闪电定位资料 笔者所引用的闪电定位资料，是山东 省闪电定位系统数据中的一部分， 闪电定位系统所包含的信息包含：序号，GPS 时间，经度，纬度，电流强度，闪电类型，回击序号，雷电流上升陡度，误差椭圆长轴，误差椭圆短轴，椭圆长轴倾角，原始数据总个数，探头1，探头2，探头3，探头4共16个参数。探测到的信息最终以txt 文件存储于服务器上，由于数据量巨大，每天监测到的数据单独存独立的txt 文件中，如2007年7月10日的全省闪电定位数据以20070710．txt 保存。由于闪电定位仪的布网和探测范围的影响，山东省闪电定位仪所监测到的探测数据并非只有山东省境内的闪电资料， 有时还包含江苏省部分区域的闪电资料。如何从巨大的数据中查找出某一小范围内发生的闪电数据将会为雷击风险评估、 灾害调查、工程防雷设计等工作提供非常重要的参考作用，同时也是与人工观测进行比对分析的前提。1．2 人工观测资料 人工观测资料所记录的参数比较单 一， 只有雷暴日这一参数。雷暴日是指某一地区一年中有雷电放电的天数，一天中只要听到1次以上的雷声就算一个雷暴日，以Td 表示。雷暴日的分布与指定区域有关，比较科学的方法是采用10?10km 2 的网格为标准统计区域，但这和现在雷暴日的计算方法有差异， 目前我国以气象观测站所听到的雷声为统计依据， 国外科学家研究表明，听力好的人可以听到20km 左右的雷声，听力不好的人连5km 处发生的雷电都听不到， 另外也和雷声大小、背景噪声及传播路径上有无障碍有关， 同时，我国目前基本是1个行政县设1个气象观测站，可以依县级行政区域为雷暴日统计单位。依据不同的统计方法， 得出来的结论相差很大，有待国家统一规范。雷暴日数的确定对防雷工程设计、雷电风险评估、防雷图纸审核均具有很高的实用价值。1．3 闪电定位资料与人工观测资料各自的特点 闪电定位 资料的优点是所记录的参数多样化，可以全天候，全自动的监测，覆盖区域广，可以监测闪电发生的时间、落雷地点、电流强度、 雷电流上升陡度、极性等，但由于投入运行的时间短，资料的积累相对缺少，只有几年的闪电资料。人工观测资料数据单一，部分台站观测时间为08：00 20：00，不能做到全天候观测，观测人员自身的因素也对观测结果起到影响。优点是资料积累的时间长，一般台站都有当地几十年的雷暴日资料。2研究方法2．1 方法概述 人工观测只有雷暴日这一参数，所以和闪 电定位仪资料也只能对这一参数进行比对，全省布网的闪电定位仪监测的范围广， 一般的监测范围为几百千米，而人工观测到的闪电一般是以本站为中心5 20km 范围内的区域，所以比对应用的数据应以人工观测到的范围作为比对的范围， 这样的闪电数据才有比对的意义。理想的观测范围应该以观测本站为中心，周围5 20km 范围内的闪电数据为比对数据，但考虑到数据处理的方便，以及观测人员的差异，笔者所采用的数据范围为以烟台观测本站为中心，周围20km 的矩形区域的数据为比对数据。统计矩形框内人工观测与闪电定位仪观测到的雷暴日数进行比对，找出其中的联系与不同， 以便更好的分析本站的雷暴日数。笔者主要是对比对方法的描述，所以只用到烟台本站2007年全年的人工观测的雷暴日数和2007年山东全省的闪电定位仪监测到的数据。2．2数据处理 2．2．1 闪电定位仪数据的处理。以上已经提及闪电定位仪 责任编辑胡先祥责任校对胡先祥 农技服务，2012，29（7）：888－889，891
通信新技术展望论文 题目： GPS 全球定位系统及其 应用简介 学生姓名 陈杭洲 学 号 2013111035 专 业 通信工程 年 级 2013级 教务处制 成绩
摘要 21世纪是信息化的时代，而作为信息化产业技术方向的一部分，GPS在数字地球概念中扮演着重要的角色。GPS全球定位系统是一套具有全天候、全球性、连续性以及实时性的全球范围内的无线电定位系统，GPS全球定位系统具有性能好、精度高、应用广的特点，在今天已经被应用军事、生产甚至是生活中的各个领域，本文将简单介绍GPS全球定位系统及其特点、功能与应用。 关键词：GPS全球定位系统特点功能应用 GPS全球定位系统简介 GPS全球定位系统是美国国防部为满足军事部门对海上、陆地和空中进行高精度导航和定位要求而建立的，起初就是作为美国海军的TIMA工郎计划和美国空军的621B项目的综合结果而研制的。这两个计划在六十年代中期就已确定要用测距的方式来发展一种被动导航系统。它是新一代卫星导航与定位系统，具有全球性、全天候、连续的三维导航和定位能力，以及良好的抗干扰性和保密性。它己成为美国导航技术现代化的重要标志。 GPS定位系统的构成 GPS 系统由空间卫星星座、地面控制系统和用户设备三部分组成。 (1)地面控制部分 地面控制部分由一个主控站，5个全球监测站和3个地面控制站组成。监测站均配装有精密的铯钟和能够连续测量到所有可见卫星的接受机。监测站将取得的卫星观测数据，包括电离层和气象数据，经过初步处理后，传送到主控站。主 控站从各监测站收集跟踪数据，计算出卫星的轨道和时钟参数，然后将结果送到3个地面控制站。 (2)空间部分 GPS的空问部分是由24颗工作卫星组成，它位于距地表20 200kin的上空，均匀分布在6个轨道面上(每个轨道面4颗)，轨道倾角为55度。此外，还有4颗有源备份卫星在轨运行。卫星的分布使得在全球任何地方、任何时问都可观测到4颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图象。这就提供了在时问上连续的全球导航能力。GPS卫星产生两组电码，一组称为C/A码；一组称为P 码，P码因频率较高，不易受干扰，定位精度高，因此受美国军方管制，并设有密码，一般民问无法解读，主要为美国军方服务。C/A码人为采取措施而刻意降低精度后，主要开放给民间使用。 (3)用户装置部分 用户装置部分即GPS信号接收机。其主要功能是能够捕获到按一定卫星截止角所选择的待测卫星，并跟踪这些卫星的运行。当接收机捕获到跟踪的卫星信号后，就可测量出接收天线至卫星的伪距离和距离的变化率，解调出卫星轨道参数等数据。根据这些数据，接收机中的微处理计算机就可按定位解算方法进行定位计算，