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行业专项成果综述-地基高精度总闪电探测系统和定位算法研究

发布者:张岳   来源:   发布时间:2020/6/1 9:51:20   标签:   浏览次数:2873

项目编号GYHY201306069

研究周期2013年1月-2015年12月

国拨经费246万元

项目负责人】董万胜

项目骨干成员】李良福、王建国、刘恒毅、杨磊、蔡力、覃彬全、王飞、周蜜、马祥、傅钟、周康辉、刘莎莎、姜睿娇、张义军、吕伟涛、赵思亮、张其林、郭凤霞、赵思亮、张阳

项目承担单位中国气象科学研究院

项目协作单位】武汉大学,重庆市防雷中心

主要研究成果

一、VLF/LF VHF 双频段全闪电探测仪:

本项目研制完成的“VLF/LF VHF 双频段全闪电探测仪”既可探测云闪和地闪,也能识别云内特殊放电事件,实时获取闪电辐射脉冲到达时间、强度、极性等参数,具有较强的闪电辐射脉冲实时处理能力,每秒捕获并处理闪电辐射脉冲数量可达12500 个以上,并能同步获取闪电辐射脉冲波形。

硬件结构特征:双频段闪电探测仪总体结构采用模块化设计,结构简介,从外形可分为天线支架和设备箱两个部分构成,外部连线仅需220V 交流电源和网络连接,如图1 所示。天线部分包括GPS 天线,VHF 宽带天线,和VLF/LF 平板天线,所有连接电缆均从支架内部走线,接入控制箱内。设备箱内部设备按功能分为电源、接收机和数据采集分析处理器三部分。

数据采集分析处理器是探测仪的核心单元,由搭载了高精度GPS 板卡和2 通道高速A/D 卡的工控机构成。精准时间是实现多站时差定位的基础,采用了有内置恒温高稳晶振(OCXO)的GPS 接收机板卡,可输出与1PPS 信号精准锁定、高稳定度的10MHz 基准频率信号,作为高速采集卡的外部时钟,1PPS 输出与UTC 的同步精度约为±50ns2 通道高速A/D 卡具有1G 板载缓存,14 AD 分辨率,最高采样率200MHzPCIe总线采用DMA 方式实现数据从板卡到主机的连续传输而不占用CPU 资源。特别是将GPS 时钟模块输出的10MHz 信号作为AD 的采样时钟,且将1PPS 信号单独引入板卡的AUX DIO 接口的创新设计,将时间信息同步写在16 AD 的低字节位,实现了闪电信号与UTC 时间的严格绑定,保证了每个采样点数据对应的精确时间信息的获取。

数据预处理软件:雷电信号具有很强额随机性,在闪电密集时刻时段会产生数量巨大的辐射脉冲。以往的数据采集系统常采用触发-等待的工作方式,触发间 死时间”的存在大大降低了系统对放电事件的捕获效率,以至漏掉了部分放电事件。另外使用这样的硬件触发系统,为了避免在缓慢浮动背景干扰误触发,触发阈值不得不被设置到相对较高的电平,牺牲了传感器的灵敏度。因此,根据雷电辐射特点以及闪电探测的具体需求,本研究专门设计的雷电辐射信号采集分析记录软件采用基于软件算法的浮动电平触发系统:在双通道A/D 分别以20 MHz 5 MHz 采样率对VHFVLF/LF 两路信号进行独立的连续采集的同时,实时监测信号的平均强度和标准偏差,自动捕获闪电产生脉冲信号(当中会有大量随机干扰信号)的峰值、峰值时刻,以及相应的脉冲波形段,这种方案极大的提高了系统对弱信号的探测灵敏度,有效探测距离可达150km 以上;同时利用双频段闪电探测的独特优势,采用VLF/LFVHF 信号相互验证的方法,有效抑制了环境噪声(随机干扰信号),增强了探测仪的抗干扰能力。通过对数据采用及预处理软件的精细优化,该闪电探测仪实时提取脉冲波形参数和时间的处理能力:对闪电VLF/LF 信号可达每秒1000 个脉冲,对闪电VHF 信号可达每秒12500 个脉冲;且可连续无间隔分段捕获(段间无死时间)闪电脉冲波形(段长度0.01-10ms 可选);

VLF/LF VHF 双频段全闪电探测仪性能指标:

1)工作频段: VLF/LFVHF 双频段。

2)闪电VLF/LF 辐射信号接收机:时间常数1ms,频带宽度:200Hz500kHz

3)闪电VHF 辐射信号接收机:频带宽度6MHz,中心频率:50450MHz 可调。

4GPS 时钟精度:50ns(RMS);稳定度优于10E-11

5)实时信号处理:VLF/LF:每秒可捕获1000 个以上的闪电辐射脉冲;VHF:每秒可捕获12500 个以上的闪电辐射脉冲;

6)闪电辐射信号波形捕获:VLF/LF:浮动电平触发,连续无间隔分段捕获,精度14bit;采样率5MHz;波形段长度0.1-10ms 可选;VHF:浮动电平触发,连续无间隔分段捕获,精度14bit;采样率25MHz;波形段长度0.1-10ms 可选;

7)探测距离:大于150km

8)供电:AC-220VDC-936V

9)通讯:因特网,RJ45接口。

10)工作环境温度:-20°~ +50℃。

二、地基高精度总闪电三维定位算法

地基高精度总闪电定位系统采用定位精度最高的到达时间TOA(Time-of-Arrival)三维定位算法,即根据多个探测子站测到闪电辐射脉冲的到达时间数据,再现闪电辐射源位置和发生时间(x, y, z, t)。这个算法首先采用一个线形矩阵反演(逆矩阵)获得一个笛卡儿坐标的初始解,然后使用遵循Marquardt (1963)标准迭代的LevenbergMarquardt(L-M) 优化算法得到数值解,并通过高度约束来改善这个解。

闪电放电定位探测本质上是对一系列子放电过程(或事件)的定位,且这些放电事件发生在较大的区域中。闪电放电产生非常密集辐射脉冲,特别是在闪电活动频繁发生的时段,可能有多个放电在不同区域几乎同时发生,这就导致闪电辐射脉冲到达各子站的时间序列异常复杂(有相互交叉)。因此,不同于地闪回击定位,云闪的多站时差定位技术首先要从多个站点数据中甄别出同一个闪电放电事件,才能确定闪电信号到达不同子站的时间差,才能实现对闪电放电事件高精度的三维定位。而从多个站点探测到的闪电放电辐射脉冲事件序列,需专门算法来识别共同放电事件,这是一件极富挑战性的工作。为此,开发了“时域互相关法提取时间差”、“时间窗的脉冲波形匹配”和“L-M 最小二乘法优化算法的迭代求解” 三种不同的甄别同一个闪电放电事件方法,实现共同的闪电放电事件识别和高精度3D 定位。

三、高精度全闪电3D 定位系统测试网络建设

地基系统的特点是子站分布在地面,站点间的高度差很小,这对于仅需确定回击发生的位置(二维)的地闪定位系统影响很小。但三维定位系统需要确定云内闪电事件的空间三维位置,这对位于地面的系统来讲,高度的测量精度不仅取决于各站点确定闪电事件发生的时间精度,也与站间距离(基线长度)有关,且站间距离越大,高度的定位误差就越大。因此,要实现对云闪的高精度3D 定位,站间距离应与闪电发生的高度相匹配。考虑到云内放电一般发生在4-15km 的高度,系统的基线长度一般应为10-30km。根据时差定位算法,闪电三维定位系统最少应有5 个站点构成,但考虑到系统要有一定的有效探测范围以及站点布局,以及云闪脉冲匹配所至少有1-2 个以上的冗余站点,通常的地基高精度总闪电三维定位系统一般由7 个以上站点构成。

本项目以重庆市气象局为中心,在重庆地区建成了由13 个相互独立的子站和1个闪电数据处理中心站构成地基高精度总闪电探测定位网络,如图2 所示,子站间基线(子站之间的距离)长度在10 30km 之间,站网直径约50km,覆盖区域约2000 多平方公里。利用专门开发的闪电数据实时传输软件,将各子站数据通过宽带网传输到数据处理中心;基于自主开发的地基高精度总闪电三维定位算法软件、闪电类型识别算法软件,实时解算闪电发生时间、位置、类型、强度、极性等闪电定位参数,实现了区域内雷电活动的实时监测。基于站网运行获取的数据,我们也进行了部分雷暴过程闪电活动特征研究,图3 2014 8 30 19 时到8 31 7时观测站网得到的一次雷暴过程中闪电发生高度垂直分布和闪电频次随时间的变化。

重庆高精度全闪电3D 闪电定位系统主要性能指标:

1)工作方式:自动、连续、实时数据处理;

2)站网尺度:直径约40km

3)闪电有效监测范围:直径约100km 的区域;

4)闪电类型识别:云闪、地闪和窄偶极脉冲,准确率高于90%

5)地闪参量:始发位置(3D)、时间、强度、极性、回击位置(2D)、回击次数、持续时间等;

6)云闪参量:起始区域(3D)、时间、强度、极性、持续时间等;

7)窄偶极脉冲:发生位置、强度、极性等;

8)定位精度:站网内闪电辐射源定位精度优于0.25km

9)站网外有效监测范围内定位精度优于1.0km

 

成果应用情况

本项目研制的新型闪电探测系统具有同时定位地闪、云闪以及云内特殊放电事件能力,可用于重点防洪地区、冰雹灾害多发地区、森林火灾常发地区等敏感区,进行雷电灾害和中小尺度灾害性天气过程的监测和预警服务,在中小尺度灾害性天气的实时监测和预报工作中具有重要实际意义。

该系统对云内放电击穿产生的VHF 辐射具有较强的探测能力,配合高精度全闪电三维定位算法,该系统对云内微弱的局部击穿放电事件具有较强的探测定位能力,可描绘云内闪电通道发展特征,特别是能同步获取多站闪电辐射脉冲波形,用于系统性能改进完善、雷暴电荷结构演变特征、闪电激发机制、雷电预警预报数值模式等方面的科学研究。

        2015 年项目组为陆军工程大学研制了一套6 站的“双频段全闪电3D 定位系统”。从2016 年开始,持续服务与项目组的科学研究,观测使用表明该系统多对发生在站网区域的雷暴过程有较好的观测能力,数据记录连续稳定,设备维护方便。图3 就是利用该系统获取数据,对一次云闪过程放电通道的定位结果,表明该系统对闪电VHF 具有较强的探测能力,并具有很高的定位精度。

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