閃電定位儀講解

1、氣象儀器課程論文題 目簡易閃電定位儀系電子與信息工程專 業(yè)電子信息工程學生姓名學 號0一三年一月二日1引言 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 2系統(tǒng)設計 3 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 閃電的放電過程和描述參量 3 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 閃電的平面方位角計算 5 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 閃電的平面距離計算 6 HYPERLINK l bookmar

2、k16 o Current Document 系統(tǒng)整體框圖 7 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 3硬件設計 7 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 數(shù)據(jù)采集卡 8 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 電源模塊 8 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 數(shù)據(jù)選擇器電路 9 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document /V 轉(zhuǎn)換電路 9 HYPERLINK l boo

3、kmark28 o Current Document 較器電路 10 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 數(shù)器電路 10 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document D/A轉(zhuǎn)換電路 11 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 4軟件設計 11 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 5總結(jié) 126參考文獻 13簡易閃電定位儀張蕾南京信息工程大學電子與信息工程系，南京210044摘要：本文利用光學方法，研究和分析雷電發(fā)生

4、時各物理量的統(tǒng)計特征，從而設計了一個閃電定位系統(tǒng)。 文中提出了加權(quán)定位和向量定位兩種新的定位算法，均能夠應用于光電法閃電定位系統(tǒng)，實現(xiàn)閃電定位計算。本文簡述了光電法閃電定位系統(tǒng)的硬件組成，介紹了包括閃電光強度電壓信號處理、雷聲識別、閃電的平面方位角計算，以及閃電距離計算等功能模塊的設計，其中，主要介紹了閃電光強信號的獲取及處理部分。本文還簡要介紹了閃電定位系統(tǒng)的原理及其意義。關鍵詞：光電檢測；閃電定位系統(tǒng)；光強信號；定位方法1引言閃電是指積雨云中不同符號荷電中心之間的放電過程，或云中荷電中心與大地和地物之間的放電過程，或云中荷電中心與云外大氣不同符號大氣體電荷中心之間的放電過程。閃電的主要特點

5、是：電流大，電流高達幾萬至幾十萬安培；時間短，雷擊過程只有幾十微秒；電壓高，強大的電流產(chǎn)生強大的磁場，形成很高的感應電壓。 一次閃電中正電荷與負電荷中和的數(shù)量直接反應一次閃電釋放出的能量，也就是一次閃電的破壞力。由于閃電的放電時間短， 在短短的幾十微秒內(nèi)把雷暴云蘊藏的能量釋放出來，所以破壞力很強。雷電對人類而言是一種嚴重的自然災害，主要表現(xiàn)為雷電所造成的雷擊具有極大的破壞性，雷電的破壞作用是綜合的，包括熱效應、電動力效應、機械效應、沖擊波效應、靜電感應效應以及電磁場效應的 破壞。雷電電荷在傳導放電的過程中，產(chǎn)生很強的雷電電流，一般會達到幾十千安培， 有時會達到幾百千安培，能產(chǎn)生幾千、幾萬甚至幾

6、百萬伏高壓， 足以讓人畜斃命，電氣設備毀壞。 雷電通道的溫度可達到 5萬華氏度，比太陽表面的溫度還要高，能使金屬熔化，易燃物體高 溫起火。閃電產(chǎn)生的靜電場變化、 磁場變化和電磁輻射， 嚴重干擾無線電通訊和和各種設備 的正常工作，是無線電噪聲的重要來源，在一定范圍內(nèi)造成許多微電子設備的損壞。全球平均每年因雷擊災害造成的損失在10億美元以上，已成為國民經(jīng)濟發(fā)展的嚴重障礙。閃電定位儀能提供長期的、 大范圍的、準確的雷電位置、雷電強度等參量，這些雷電參量可用于進 一步研究雷電的放電過程和雷電活動的氣候規(guī)律。雷電監(jiān)測定位資料的積累和雷電活動規(guī)律的研究，除了可以為正常的天氣現(xiàn)象提供基本的歷史資料，更可試試

7、顯示雷電的發(fā)生發(fā)展， 甚至可以為雷電的預報報警服務。2系統(tǒng)設計2.1閃電的放電過程和描述參量要想設計和研究雷電監(jiān)測定位系統(tǒng)，首先必須了解閃電的機理，下面對閃電的具體形成過程和相關物理參量進行簡要敘述。閃電放電過程可以概括為： 云層電荷形成電分布-初始擊穿-梯級先導-聯(lián)接過程-第一回擊-K過程-J過程-直竄先導-第二回擊。(l)閃電的初始擊穿：通常在含云大氣開始擊穿的初期，在積雨云的下部有一負荷電中心與其底部的正電荷中心附件局部地區(qū)的大氣電場達到104v/cm左右時，則該云霧大氣會初始擊穿，負電荷向下中和掉正電荷，這時從云下部到云底部全部為負電荷區(qū)。(2)梯級先導過程：隨大氣電場進一步加強，進入

8、起始擊穿的后期，這時電子與空氣分子 發(fā)生碰撞，產(chǎn)生輕度的電離，從而形成負電荷向下發(fā)展的流光 ，表現(xiàn)為一條暗淡的光柱向梯級 一樣逐級伸向地面，這稱之為梯級先導在每一梯級的頂端發(fā)出較亮的光。(3)電離通道：梯級先導向下發(fā)展的過程是一電離過程 ，在電離過程中生成成對的正、 負 離子，其正離子被由云中向下輸送的負電荷不斷中和，從而形成一個負電荷為主的通道 ，稱為電離通道或閃電通道。(4)回擊：當梯級先導與連接先導會合，形成一股明亮的光柱，沿著梯式先導形成的電離通道由地面高速沖向云中，這稱為回擊?；負舯认葘Я恋枚?，回擊具有較強的放電電流，因而 發(fā)出耀眼的光亮。由梯級先導到回擊這一完整的過程稱為第一閃擊。

9、從地面向上發(fā)展起來的反向放電，不僅具有電暈放電，還具有強的正流光，它與向下先導會合，其會合點稱連接點，有 時稱之為“連接先導”的向上流光。(5)箭式先導：緊接著第一閃擊之后，約經(jīng)過幾十毫秒的時間間隔，形成第二閃擊。這時又 有一條平均長為 50m的暗淡光柱，沿著第一閃擊的路徑由云中直奔地面，這種流光稱為箭式 先導。箭式先導是沿著預先電離了的路徑通過的，它沒有梯式先導的梯級結(jié)構(gòu)。當箭式先導到達地面附件時，又產(chǎn)生向上發(fā)展的流光由地面與其會合，隨即產(chǎn)生向上回擊，以一股明亮的光柱沿著箭式先導的路徑由地面高速馳向云中。由箭式先導到回擊這一完整的放電過程稱為第二閃擊，第二閃擊的基本特征與第一閃擊是相同的，而

10、以后各次閃擊的情況與第二閃擊的情況基本相同。由一次閃擊構(gòu)成的地閃稱為單閃擊地閃，由多次閃擊構(gòu)成的地閃稱為多閃擊地閃，第一次閃擊后的各閃擊稱為隨后閃擊。閃電放電過程的描述參量如下所示，(l)閃電放電時間與回擊放電的時間：每次閃電的持續(xù)時間主要由回擊數(shù)決定，閃電持續(xù)的時間一般在l秒以內(nèi)，平均在0.2秒左右。一個回擊的持續(xù)時間一般小于0.1毫秒，回擊和回擊之間時間間隔一般為3 380毫秒，平均值是50 70毫秒。雷電定位系統(tǒng)所測定的閃電發(fā)生時間是一般指回擊放電產(chǎn)生的光脈沖的第一個峰值到達探測站的時間，它等于回擊發(fā)生的時刻加上傳播時延。(2)閃電的回擊數(shù)：通常一次地閃由2到4次閃擊構(gòu)成，一般超過10個

11、回擊的閃電數(shù)量很 少，個別地閃的閃擊數(shù)可達 26次之多。(3)雷電發(fā)生的位置：閃電通道長度一般有幾公里，但有時也有長約十幾公里的，通道一般不垂直于地面，但地閃回擊發(fā)生時刻的通道一般只有幾百米，幾乎垂直于地面。(4)雷電的光強：閃電的輻射能量雖然橫跨無線電頻域和X射線，但不是均勻分布的，而是由幾個輻射峰值組成，在可見光及近紅外光譜范圍內(nèi)輻射能量最為集中。其中在中性氧和中性氮波長處的輻射最強。2.2閃電的平面方位角計算利用光電倍增管提取閃電光信號，在無閃電光照射時，倍增管也會有信號輸出，此信號來自兩個方面：一是暗電流的漲落形成的暗噪聲；二是倍增管在有噪聲光信號照射時產(chǎn)生的光電流。在影響有用信號提取

12、的諸因素當中，這兩種電流的影響是最主要的。（l）加權(quán)定位如圖1所示，定位系統(tǒng)在正北、西北、正西、西南、正南、東南、正東和東北 8個方位 上，等距離安裝了 8只光電倍增管，以正北方向為0號管，逆時針增序編號為 0-7。系統(tǒng)以正 南方向為基準0 ,逆時針方向為角度增大方向。當閃電發(fā)生時 ，系統(tǒng)的8只光電倍增管中， 會有4只（如圖中1,0,7,6號）管子直接受到閃電光的照射 ，此類管子記為I類管，此類光 線在圖1中用實線表示；而另外 4只（如圖中2, 3,4,5 號）管子則只會接收到背景反射的 閃電光，此類管子記為H類管，此類光線在圖1中用單點劃線表示。這兩類倍增管的分界線 記為相對基準線。相對基準

13、線是指偏離正南方向22.5 和偏離正東方向22.5的4條直線。計算噪聲信號值：1 ,m （1 a03 al 5 a2 7 a3）（1）16其中a0, a1, a2,a3是沒有直接受到閃電光的照射的4只倍增管的輸出信號。再把直接受到閃電光的照射的 4只倍增管的輸出信號減去噪聲信號值，并取絕對值，得到各自對應的加權(quán)系數(shù)（即權(quán)重）w0,w1,w2,w3,代入（2）式進行角度計算,這樣可以減小非閃電信號電 流的影響。圖1加權(quán)定位原理圖計算相對B角度（相對于相對基準線的閃電的平面方位角）：(2)22.5 (1 w0 3 w1 5 w2 7 w3)w0 w1 w2 w3計算絕對角度a （相對于正南方向的閃

14、電的平面方位角）：=-(3)其中0視基線位置而異，0自東南偏南22.5。起，逆時針取值依次為：22.5 , 67.5 , 112.5 , 157.5 , 202.5 , 247.5 , 292.5 , -22.5 。若大于 360 ,則應減去360 使保持在0-360 范圍內(nèi)。(2)向量定位先將八方位倍增管的輸出信號大小表示為直角坐標系中的向量，如圖2中8個細箭頭所示，此坐標系是以正南方向為x軸正向，以正東方向為y軸正向建立的；再將各向量投影到坐標軸上，并求出和向量z(如圖2中粗箭頭所示)。7Z=Zi(4)i 0向量定位算法與加權(quán)平均算法不同，在信號處理過程中，不必求出干擾信號具體有多大，在各

15、向量求和時就能夠消除非閃電信號電流的影響；不必確定相對基準線，只需建立一個適當?shù)淖鴺讼导纯?。這樣，就使程序得到了簡化，信號處理速度也得到了提高。圖2向量定位原理圖閃電的平面距離計算(1)單站測距閃電的平面距離，即雷擊點到測站的平面距離。雷聲在傳播過程中，在前0.2s左右以激波形式傳播,速度名勺為5000m/s；之后以聲波形式傳播，速度為340m/s。若雷聲與閃電到達測 站的時間差為t(t 0.2)s,則雷擊點到測站的平面距離d(單位:km)為：d=0.34 (t 0.2) 1(5)若時間差t 0.2s,則雷擊點到測站的平面距離d默認為0km。(2)雙站測距雷聲的傳播過程很復雜，即使考慮到激波的

16、影響，僅通過測量雷閃時間差來計算雷擊點 到測站距離，誤差仍然很大。這是因為，一方面激波的傳播速度和傳播距離隨雷電的強度變化而變化；另一方面聲波在傳播過程中遇到云層或高山等障礙物會發(fā)生反射。另外聲音的傳播方向會隨著大氣層內(nèi)區(qū)域溫度的變化發(fā)生改變，聲音容易朝著溫度低的地方傳播，而使傳播途徑發(fā)生彎曲。若采用兩套同樣的光電法閃電定位系統(tǒng)組成的雙站檢測系統(tǒng)，只通過檢測閃電的光信號即可計算出雷擊點所在的有限區(qū)域到測站的距離。如圖3所示，對于同一次閃電設測站 1測出的閃電平面方位角經(jīng)誤差修正后得到。1、0 2,測站2測出的閃電平面方位角經(jīng)修正后得到03、。4,則角度射線的交點會形成一個平面區(qū)域ABCD,即雷

17、擊區(qū)域。此區(qū)域到兩個測站的距離可通過三角形的正弦定理計算得出。設A點到測站1、測站2的距離分別為 S1A、S2A,兩測站的距離為定值 d0o據(jù)三角形正 弦定理，有： TOC o 1-5 h z sin( 24)： sin 4 ：sin 2 = do: Sa Sa(6)d0 sin 4d0 sin 2則S1A = -04 , S2A=-02(7,sin( 24)sin( 24)同理，可分別計算出B、C、D3點到兩個測站的距離。這樣 ，雷擊點就被定位在平面區(qū)域ABCDrt。若方位角的定位精度提高了，則平面區(qū)域ABCM面積會大大減小，整個定位系統(tǒng)的定位精度就會得到大大提高。系統(tǒng)整體框匿系統(tǒng)整體框圖如

18、圖 3所示。圖3系統(tǒng)整體框圖3硬件設計本文主要介紹了光強信號接受模塊的硬件電路設計以及數(shù)據(jù)采集卡。光強探測模塊由硅探測器件和放大電路組成，并放置在一個鋁合金殼體中。采用200KHz以上頻率響應的硅探測 器件，在實際運用中，采用濱松公司的 S6967硅光電池。數(shù)據(jù)采集卡本文采用研華公司的 ADLinkDAQ/pXI 2010數(shù)據(jù)采集卡，其工作原理如圖 4所示。DAQ2O1共有四個同步 A/D采集通道，即每個通道都有 A/D轉(zhuǎn)換功能，以系統(tǒng)時鐘或用戶設置的外部時鐘進行同步采集，模擬直流信號從車入端口輸入，當有觸發(fā)信號時數(shù)據(jù)采集卡開始采集,數(shù)據(jù)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為16位的數(shù)字信號（有效14位）送到

19、數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（FIFO）。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)內(nèi)存中可以采用DMAT式彳送，也可以由CPg制進行同步采集。數(shù)據(jù)采集卡主要性能：通道同步刀D采集,2通道D/A輸出；14位高分辨率；采樣頻率可達2Ms/s；自動校正功能；PCI總線數(shù)據(jù)傳輸，有總線DM勒能；8K A/D FIFO; 4種A/D轉(zhuǎn)換觸發(fā)模式。r 1一信號源抨制隔高與非隔離_一 3A/轉(zhuǎn)換得A/口料換器信號通道鉆信號類型（SE/DI） 信號范圍 自劭通道掃描四 擲 同 時 3. A/D數(shù)據(jù)線押區(qū)散照寄存器FFO緩沖區(qū)數(shù)據(jù)饌沖區(qū)A/D楂換器3苴戰(zhàn)或PC- i廠之觸發(fā)源控制、 觸發(fā)信號源 梁樣雄率4.較據(jù)傳輸VO指令 DMA 總線豐梓內(nèi)存(Buff

20、er)CPU中斷信勺Ji島嬴IA/D分辨率與數(shù)據(jù)格式數(shù)據(jù)何故國制代碼域補碼單極性或雙極性 J圖4 DAQ2010工作原理圖電源模塊用LM7805三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、 過熱及調(diào)整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。當穩(wěn)壓管溫度過高時，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。電路如圖 5所示，C1、C2分別為輸入端和輸出端濾波電容， RL為負 載電阻。當輸出電流較大時， LM7805應配上散熱板。本文將 15V電壓轉(zhuǎn)換為+5V和-5V電壓 供電路使用。圖5 電源電路圖數(shù)據(jù)選擇器電路CD4052用途廣泛，在本系統(tǒng)中我們將其作為雙路熱電偶的選擇開關，其外設電路

21、簡單, 且可程控，電路圖如圖 6所示。模擬開關使得電路轉(zhuǎn)換電壓電路實現(xiàn)量程自動切換。圖5數(shù)據(jù)選擇器電路圖/V轉(zhuǎn)換電路由于系統(tǒng)中的被測模塊只有一端輸出，輸出的只能是電流，但之后的峰值檢測需要的是電壓，所以需要使用I/V轉(zhuǎn)化電路，將電流轉(zhuǎn)換為電壓。本文使用簡單的I/V轉(zhuǎn)化電路，便可實現(xiàn)系統(tǒng)要求，電路圖如圖6所示。圖6 I/V 轉(zhuǎn)換電路圖較器電路比較器是將一個模擬電壓信號與一個基準電壓相比較的電路。比較器的兩路輸入為模擬信號，輸出則為二進制信號，當輸入電壓的差值增大或減小時，其輸出保持恒定。本系統(tǒng)中,我們使用的是過零比較器，即一端輸入接地，輸入的正弦波轉(zhuǎn)換成了方波。由于形成的方波底端值是負值，而 C

22、PLC求的方波輸入不能有負值，所以在輸出端加了二極管用來消去底 端負值，以滿足實驗要求，電路如圖 7所示。圖7比較器電路圖數(shù)器電路起始時信號較小，反饋電阻處于最大，當信號超過4V時，觸發(fā)比較器發(fā)出脈沖，作為計數(shù) 器的加脈沖信號，計數(shù)器加1,輸出由原來的00變?yōu)?1,通過模擬開關，使反饋電阻縮小為十 分之一，信號變?yōu)榭s小為十分之一。隨著信號增大再超過 4V時,觸發(fā)比較器又發(fā)出脈沖，作為計數(shù)器的加脈沖信號，計數(shù)器加1,輸出由原來的01變?yōu)?0,最大可一直到11;當信號縮小 到低于0.4V,發(fā)減脈沖，同時計數(shù)器減1,使反饋電阻增大十倍。電路如圖8所示。圖8計數(shù)器電路圖D/A轉(zhuǎn)換電路將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模

23、擬信號的電路稱為數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。如圖9所示為電壓輸出型數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，直接從電阻陣列輸出電壓，并用輸出放大器以低阻抗輸出。量程信號轉(zhuǎn)換為模擬量輸出（DOUT）電路，計數(shù)器輸出00對應模寸丈量為1.25V,01對應模才比量為2.5V,10對應模擬量 為3.75V,11對應模才丈量為 5V。圖9 D/A轉(zhuǎn)換電路圖電路輸出信號DOU敲入數(shù)據(jù)采集卡通道 O,AOU聯(lián)入數(shù)據(jù)采集卡通道 1,系統(tǒng)啟動后，程 序一直處于監(jiān)控狀態(tài)，數(shù)據(jù)采集卡等彳f觸發(fā)脈沖，當通道1的電壓值超過數(shù)據(jù)采集卡設置的 域值時（域值為實驗采集的實際閃電光強信號輸出幅值的5%）,數(shù)據(jù)采集卡以2M速率采集通道O,通道l和通道2,即閃電光強信號和

24、電磁信號。4軟件設計軟件流程圖如圖10所示。5總結(jié)通過本次課程設計的鍛煉， 我對氣象以及本專業(yè)的知識有了更深的認識，理解了閃電定位系統(tǒng)的工作原理及其電路設計。本文利用了光電法來探測閃電，在雷電探測方法中算是很好的。但雷電探測是一門綜合的學科，雷電現(xiàn)象也是復雜多變的，本文在雷電的聲光探測中還僅是一個開端，還有很多可以深入研究的課題，如閃電輻射產(chǎn)生的電磁場與光的能量成一定的正比關系，因此通過對光能量的分析也能得出閃電的電流；雷聲也是一種復雜的隨機過程，可以對雷聲的特征作進一步的分析，提出更優(yōu)的判別方法， 或是采用多點法來定位閃電。在學習了閃電定位的各種原理及方法之后，提出了利用光電檢測技術實現(xiàn)閃電定位計算的兩種新算法，受益匪淺。隨著人們對防雷意識的不斷提高，對防雷技術的要求也越來越高。 同時，目前各行業(yè)對閃電活動的預警預報需求很大，在氣象，航空，航天，電力，通訊，軍 事，工業(yè)，水文等以及人們的日常生活中都需要閃電活動的預報產(chǎn)品，因此為了提高更好的雷電預警預報服務和雷電防護技術服務，發(fā)展新