專利名稱：短基線時(shí)差法超高頻閃電輻射源探測(cè)定位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種短基線時(shí)差法(TOA)超高頻(VHF)閃電輻射源探測(cè)定位系統(tǒng)，利用高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備同步記錄閃電放電過(guò)程中產(chǎn)生的大量高頻和甚高頻電磁脈沖在四個(gè)天線的電場(chǎng)波形，然后通過(guò)微機(jī)對(duì)記錄到的多通道閃電放電過(guò)程電場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)地計(jì)算出閃電輻射源的方位及其變化，可以較為直觀且詳細(xì)地了解閃電發(fā)生發(fā)展的物理過(guò)程，加深對(duì)閃電物理機(jī)制的認(rèn)識(shí)。本系統(tǒng)可廣泛地應(yīng)用于大氣雷暴電研究、氣象、林業(yè)、航空航天、電力供電等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代閃電定位系統(tǒng)的起源，要追溯到1796年美國(guó)人克瑞德(Krider.E.P)等人對(duì)原雙陰極示波器閃電探測(cè)儀所做的成功改進(jìn)。在此基礎(chǔ)上研制出的智能化磁方向閃電定位系統(tǒng)，采用寬波段接收閃電輻射的VLF信號(hào)，克服了原來(lái)窄波信號(hào)帶來(lái)的偏振誤差、電離層反射等不利影響，使測(cè)角誤差在1度以內(nèi)。20世紀(jì)80年代初又增加了云地閃波鑒別技術(shù)，使云地閃電探測(cè)效率達(dá)到90％以上。80年代中期和末期，幾乎世界上所有發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)都布有這種設(shè)備組成的雷電監(jiān)測(cè)定位網(wǎng)。與此同時(shí)，在20世紀(jì)80年代中期，美國(guó)大氣科學(xué)研究公司又研制出一種時(shí)差法雷電定位系統(tǒng)，1986年產(chǎn)品形成，并在美國(guó)東部布網(wǎng)，在日本、巴西、澳大利亞等國(guó)家和地區(qū)建網(wǎng)。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，在原有的測(cè)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了時(shí)差功能，稱為時(shí)差測(cè)向混合系統(tǒng)；并在此基礎(chǔ)上，采用DSP技術(shù)增加了數(shù)字波形處理技術(shù)，并以網(wǎng)絡(luò)的形式高速率送往中心站，用工作站進(jìn)行波形相關(guān)性的分析、定位處理。隨后，人們又采用長(zhǎng)基線TOA閃電輻射源定位系統(tǒng)。雖然長(zhǎng)基線TOA閃電輻射源定位系統(tǒng)有較高的定位精度，但由于需要多站同步觀測(cè)，勢(shì)必增加GPS等許多觀測(cè)設(shè)備，在某些多山地區(qū)觀測(cè)時(shí)，地形也會(huì)造成不利的影響。
次后，人們又采用短基線TOA。短基線TOA與長(zhǎng)基線TOA比較，短基線在雷電的定位技術(shù)方面對(duì)地形的要求低，因此在—些特定的地區(qū)有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。
在利用短基線TOA對(duì)閃電輻射源的定位的研究中，Taylor做了大量的工作。他在《地球物理學(xué)研究雜志》中介紹了一種VHF技術(shù)應(yīng)用于閃電放電過(guò)程的時(shí)空映像(Taylor WL.A VHF technique for space-time mapping of lightningdischarge progresses[J].J Geophys Res，1978，833575-3583)中所采用的基線長(zhǎng)度為13.74m，時(shí)間差測(cè)量的分辨率為0.4ns，記錄設(shè)備的帶寬為20-80MHZ，系統(tǒng)采用邏輯電路和時(shí)間譯碼器直接讀取時(shí)間差并進(jìn)行定位。當(dāng)輻射源在0-30度仰角和0-60度方位角內(nèi)時(shí)，其定位結(jié)果將實(shí)時(shí)顯示在示波器上，并由最大速度為50f/s的16mm攝象機(jī)捕獲。由于采用硬件直接讀取時(shí)間差技術(shù)，對(duì)設(shè)備各通道的一致性要求極高，而且只適合處理規(guī)則的孤立脈沖信號(hào)，對(duì)復(fù)雜電場(chǎng)波形難以有效處理。為了消除干擾信號(hào)的影響和減小誤差，需要增加許多復(fù)雜的設(shè)備，這就大大降低了系統(tǒng)的實(shí)用性，因此自Taylor之后，短基線TOA雷電的定位技術(shù)一直沒(méi)有得到發(fā)展和應(yīng)用。
近年來(lái)隨著記錄設(shè)備的采集頻率、存儲(chǔ)容量和數(shù)據(jù)下載的傳輸速度迅速提高，數(shù)字化程度的大大增加，使得基于計(jì)算機(jī)的短基線TOA輻射源定位技術(shù)更加可行。時(shí)間差的讀取、結(jié)果的顯示和存儲(chǔ)全都由計(jì)算機(jī)完成，還可以通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件完成數(shù)據(jù)的處理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有閃電輻射源的電場(chǎng)測(cè)量法閃電定位系統(tǒng)和時(shí)差法(TOA)閃電定位系統(tǒng)的一些不足之處，提供一種短基線時(shí)差法超高頻閃電輻射源探測(cè)定位系統(tǒng)，其將超高頻閃電輻射源的電場(chǎng)測(cè)量與時(shí)差法(TOA)相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)一種短基線形式的超高頻閃電輻射源探測(cè)定位系統(tǒng)，可在短基線或超短基線范圍內(nèi)布設(shè)閃電輻射源的電場(chǎng)測(cè)量天線，以單站的形式實(shí)現(xiàn)閃電輻射源的較精確地探測(cè)并測(cè)量出閃電發(fā)生的準(zhǔn)確位置，同時(shí)能夠測(cè)定出閃電放電的準(zhǔn)確軌跡。
本發(fā)明目的可以采取以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)一種短基線時(shí)差法超高頻閃電輻射源探測(cè)定位系統(tǒng)，是由桿狀偶極子天線、數(shù)字式四通道示波器、快天線電場(chǎng)變化儀、慢天線電場(chǎng)變化儀、DL708數(shù)字式示波器構(gòu)成。4根特性相同的桿狀偶極子天線輸入信號(hào)電纜線分別與高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的相應(yīng)通道1至通道4相連接；高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的GPIB接口信號(hào)電纜線與微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的GPIB接口卡相連；快天線輸入信號(hào)電纜線與快天線電場(chǎng)變化儀相連接；慢天線輸入信號(hào)電纜線與慢天線電場(chǎng)變化儀相連接，快天線電場(chǎng)變化儀輸出信號(hào)電纜線與瞬態(tài)波形記錄器的信號(hào)輸入通道1端相連接；慢天線電場(chǎng)變化儀輸出信號(hào)電纜線與瞬態(tài)波形記錄器的信號(hào)輸入通道2端相連接；高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸出的觸發(fā)信號(hào)電纜線與瞬態(tài)波形記錄器的信號(hào)輸入通道3端相連接。
桿狀偶極子天線每根長(zhǎng)為2-2.5米，每?jī)筛炀€垂直于水平面，其在水平面上的垂直投影點(diǎn)之間連接而構(gòu)成一條基線，基線為等長(zhǎng)度，且南北方向布設(shè)的兩基線與東西方向布設(shè)的兩基線之間呈垂直相交，四根特性相同、等長(zhǎng)的偶極子天線的垂直方向上的投影正好處在水平面上一正方型的四個(gè)頂點(diǎn)上。
桿狀偶極子天線中心頻率是280MHz，帶寬100MHz，設(shè)計(jì)增益為7-8dB。
本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)和產(chǎn)生的有益效果是1、本發(fā)明設(shè)計(jì)的這種短基線時(shí)差法(TOA)超高頻閃電輻射源探測(cè)定位系統(tǒng)，是采用短基線天線布局將超高頻閃電輻射源的電場(chǎng)測(cè)量與時(shí)差法(TOA)相結(jié)合而構(gòu)成的一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便的混合型閃電輻射源探測(cè)定位系統(tǒng)。它改進(jìn)了現(xiàn)有閃電輻射源的電場(chǎng)測(cè)量法閃電定位系統(tǒng)和時(shí)差法(TOA)閃電定位系統(tǒng)精度不高、需多站配合、站點(diǎn)布設(shè)范圍大、站點(diǎn)設(shè)備布設(shè)不便等一些不足之處。本發(fā)明不存在多站同步的問(wèn)題，所需設(shè)備簡(jiǎn)單；同時(shí)，由于天線之間的距離很近，各個(gè)通道波形也更加一致，相對(duì)容易，判別來(lái)自同一輻射源的時(shí)脈沖，而且適用于時(shí)間到達(dá)法定位的孤立脈沖在閃電的每個(gè)階段都有發(fā)生，這將使得系統(tǒng)能夠相對(duì)連續(xù)地描繪閃電的發(fā)展?fàn)顩r。由于系統(tǒng)具備這些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，在閃電物理的研究中將發(fā)揮重要作用；2、本發(fā)明利用高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備同步記錄閃電放電過(guò)程中產(chǎn)生的大量高頻和甚高頻電磁脈沖產(chǎn)生在四個(gè)天線的電場(chǎng)波形，然后通過(guò)微機(jī)對(duì)記錄到的多通道閃電放電過(guò)程電場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)地計(jì)算出閃電輻射源的方位及其變化，可以較為直觀且詳細(xì)地了解閃電發(fā)生發(fā)展的物理過(guò)程，加深對(duì)閃電物理機(jī)制的認(rèn)識(shí)；3、四根偶極子天線長(zhǎng)度分別為2-25m，安裝在同一水平面，天線陣子距地面1.83m，天線之間距離10m.系統(tǒng)接收的信號(hào)中心頻率280MHZ，帶寬100MHZ。四根偶極子天線布局為—正交正方形平面，四條基線等長(zhǎng)，由于閃電電場(chǎng)波形高頻波形特征明顯，很容易對(duì)閃電電場(chǎng)波形到達(dá)天線的時(shí)刻進(jìn)行識(shí)別、分析和計(jì)算，從而較準(zhǔn)確地確定閃電輻射源的位置仰角和方位角。其簡(jiǎn)化了計(jì)算閃電仰角和方位角的計(jì)算方法，有利于數(shù)據(jù)的快速分析計(jì)算；4、本發(fā)明采樣頻率為2GHZ，存儲(chǔ)容量500MByte.為解決采樣頻率和存儲(chǔ)容量之間的矛盾，采用了分段觸發(fā)技術(shù)，當(dāng)超過(guò)規(guī)定觸發(fā)電平的閃電輻射脈沖到達(dá)時(shí)，觸發(fā)記錄一個(gè)段。通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)電平，不同強(qiáng)度和距離的閃電各放電過(guò)程都能被記錄；5、本發(fā)明不僅能夠測(cè)量出閃電發(fā)生的準(zhǔn)確位置，而且能夠利用閃電輻射的VHF電磁場(chǎng)測(cè)定出閃電放電的準(zhǔn)確軌跡，其對(duì)于建立覆蓋全國(guó)的雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)，加速雷電定位系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)程，開(kāi)展商業(yè)化雷電監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)必將產(chǎn)生積極作用。


圖1為本發(fā)明各部件信號(hào)連接流程示意2為本發(fā)明四根桿狀偶極子天線布局示意3為本發(fā)明時(shí)間差法輻射源定位原理示意4為本發(fā)明閃電方位計(jì)算示意圖具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明再作進(jìn)一步的說(shuō)明一種短基線時(shí)差法超高頻閃電輻射源探測(cè)定位系統(tǒng)，是由桿狀偶極子天線、數(shù)字式四通道示波器、快天線電場(chǎng)變化儀、慢天線電場(chǎng)變化儀、DL708數(shù)字式示波器構(gòu)成。4根特性相同的桿狀偶極子天線輸入信號(hào)電纜線分別與高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的相應(yīng)通道1至通道4相連接；高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的GPIB接口信號(hào)電纜線與微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的GPIB接口卡相連；快天線輸入信號(hào)電纜線與快天線電場(chǎng)變化儀相連接，慢天線輸入信號(hào)電纜線與慢天線電場(chǎng)變化儀相連接，快天線電場(chǎng)變化儀輸出信號(hào)電纜線與瞬態(tài)波形記錄器的信號(hào)輸入通道1端相連接；慢天線電場(chǎng)變化儀輸出信號(hào)電纜線與瞬態(tài)波形記錄器的信號(hào)輸入通道2端相連接；高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸出的觸發(fā)信號(hào)電纜線與瞬態(tài)波形記錄器的信號(hào)輸入通道3端相連接(見(jiàn)圖1)。
如圖2所示，A、B、C、D桿狀偶極子天線長(zhǎng)為2米，每?jī)筛炀€垂直于水平面，其在水平面上的垂直投影點(diǎn)之間連接而構(gòu)成一條基線，基線為等長(zhǎng)度，且南北方向布設(shè)的兩基線與東西方向布設(shè)的兩基線之間呈垂直相交，構(gòu)成一個(gè)正方形，A、B、C、D桿狀偶極子天線分別位于正方形的四個(gè)頂點(diǎn)。天線AB和DC在東西方向，BC和AD在南北方向?；€長(zhǎng)度皆為10米?？紤]到天線自身的形狀，這種天線布局有利于盡量減小天線形狀對(duì)測(cè)量誤差的影響。為了減少實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地對(duì)接收天線的影響，應(yīng)將天線盡量架高，在野外觀測(cè)時(shí)，天線底部距離地面要大于1.5米。
桿狀偶極子天線中心頻率是280MHz，帶寬100MHz，設(shè)計(jì)增益為7dB。
本發(fā)明選用的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)部件為美國(guó)Lecroy公司的Lecroy374L型數(shù)字示波器。
本發(fā)明還選用美國(guó)NI公司的GPIB 488-PCI接口卡作為系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)傳輸接口部件。
本發(fā)明涉及的這種短基線時(shí)間差法超高頻輻射源探測(cè)定位系統(tǒng)的天線通過(guò)四根長(zhǎng)度和頻響特性相同的電纜分別與示波器的四個(gè)輸入端連接；Lecroy374L示波器通過(guò)GPIB接口卡與微機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；微機(jī)控制示波器完成閃電輻射信號(hào)的采集，并存儲(chǔ)采集到的數(shù)據(jù)及相關(guān)參數(shù)。DL708數(shù)字式示波器用來(lái)同步記錄閃電產(chǎn)生快天線電場(chǎng)變化和慢天線電場(chǎng)變化，工作時(shí)用LeCcroy374L第一段記錄被觸發(fā)時(shí)從觸發(fā)輸出端口輸出的脈沖信號(hào)作為觸發(fā)源。并能夠給出LeCroy374L每段的觸發(fā)時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的位置。示波器獲取的閃電VHF輻射電場(chǎng)波形可以通過(guò)GPIB-PCI卡從其內(nèi)存讀寫(xiě)到計(jì)算機(jī)中。示波器和GPIB卡之間用專用數(shù)據(jù)傳輸線連接，傳輸速度為1兆字節(jié)/秒，微機(jī)與示波器之間的通訊也是通過(guò)GPIB卡實(shí)現(xiàn)的。
當(dāng)天空中有閃電發(fā)生時(shí)，連接在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)第一通道的桿狀偶極子天線迅速感應(yīng)到閃電電場(chǎng)變化，閃電電場(chǎng)信號(hào)變化幅度達(dá)到系統(tǒng)所設(shè)定的觸發(fā)電平門(mén)限時(shí)，觸發(fā)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開(kāi)始對(duì)輸入的四路閃電電場(chǎng)波形信號(hào)進(jìn)行同步采集和記錄。同時(shí)，高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸出一觸發(fā)脈沖波形信號(hào)，到瞬態(tài)波形記錄系統(tǒng)；當(dāng)瞬態(tài)波形記錄系統(tǒng)接收到來(lái)自高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸出的一觸發(fā)脈沖波形信號(hào)時(shí)，其記錄觸發(fā)邏輯為真，從而觸發(fā)瞬態(tài)波形記錄系統(tǒng)。瞬態(tài)波形記錄系統(tǒng)，以1MPt./S的采樣速率對(duì)連接到它上面第一通道的快天線電場(chǎng)變化儀輸出的電場(chǎng)波形信號(hào)和第二通道的慢天線電場(chǎng)波形變化儀輸出的電場(chǎng)波形信號(hào)進(jìn)行采集和記錄；高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每采集一次，持續(xù)大約1秒，完成采集記錄后通過(guò)其上的GPIP接口，輸出一本次采集完成信號(hào)，觸發(fā)連接其GPIP接口上的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上運(yùn)行的波形數(shù)據(jù)接收、顯示、分析計(jì)算、定位結(jié)果顯示軟件。軟件系統(tǒng)在接收到來(lái)自高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的本次采集完成信號(hào)后，立即在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)終端屏幕上提示用戶是否保存波形數(shù)據(jù)文件，用戶根據(jù)高速采集系統(tǒng)屏幕顯示的波形好壞情況，可判斷和選擇是否保存本次采集到的閃電波形數(shù)據(jù)文件。若選擇保存，則計(jì)算機(jī)系統(tǒng)會(huì)將本次采集到的閃電波形數(shù)據(jù)自動(dòng)從高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中通過(guò)GPIB接口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)系統(tǒng)中，并按通道把每個(gè)通道的數(shù)據(jù)保存為一個(gè)數(shù)據(jù)文件，同時(shí)將高速采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集時(shí)間參數(shù)也保存為一個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)文件，用于以后的分析計(jì)算。這樣，每采集一次，保存時(shí)可生成個(gè)4數(shù)據(jù)文件和1個(gè)數(shù)據(jù)參數(shù)文件。
瞬態(tài)波形記錄系統(tǒng)中帶有較大的存儲(chǔ)硬盤(pán)，采集和記錄快、慢天線電場(chǎng)波形變化儀輸出的電場(chǎng)波形信號(hào)，可記錄大約數(shù)百個(gè)數(shù)據(jù)文件，暫時(shí)不用將記錄的數(shù)據(jù)文件傳輸?shù)接?jì)算機(jī)系統(tǒng)中?？梢砸粋€(gè)月導(dǎo)出一次數(shù)據(jù)文件到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，它的數(shù)據(jù)導(dǎo)出是通過(guò)其上的PCMCA接口卡與計(jì)算機(jī)上的PCMCA接口相連接，通過(guò)由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的資源管理器操作瞬態(tài)波形記錄系統(tǒng)中的硬盤(pán)上的文件和目錄來(lái)實(shí)現(xiàn)文件數(shù)據(jù)的傳輸和保存的。
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上運(yùn)行的波形數(shù)據(jù)接收、顯示、分析計(jì)算、定位結(jié)果顯示軟件，可對(duì)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳輸并保存在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬盤(pán)中的閃電波形數(shù)據(jù)進(jìn)行波形顯示、分析、計(jì)算，并可將定位結(jié)果閃電輻射源的仰角和方位角，保存為數(shù)據(jù)文件，也可進(jìn)行圖形化顯示。
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上運(yùn)行的波形數(shù)據(jù)接收、顯示、分析計(jì)算、定位結(jié)果顯示軟件，可對(duì)瞬態(tài)波形記錄系統(tǒng)記錄的快、慢天線電場(chǎng)波形變化儀輸出的電場(chǎng)波形信號(hào)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行分析、計(jì)算、波形顯示。可配合高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的閃電電場(chǎng)波形數(shù)據(jù)，對(duì)閃電發(fā)生發(fā)展的過(guò)程進(jìn)行對(duì)比分析和較精確定量地進(jìn)行描述。
其次，利用VLF/LF寬帶地閃定位方法對(duì)云閃進(jìn)行了探測(cè)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，這種系統(tǒng)對(duì)遠(yuǎn)區(qū)雷暴的云閃活動(dòng)也可以進(jìn)行定位。因?yàn)槔妆┑脑崎W頻數(shù)一般多于地閃(在某些強(qiáng)風(fēng)暴對(duì)流天氣系統(tǒng)如雹暴中，云閃放電占絕對(duì)優(yōu)勢(shì))，而且首次放電往往從云閃開(kāi)始，云閃和地閃的同時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)了解雷電活動(dòng)和雷暴天氣系統(tǒng)發(fā)展演變的關(guān)系以及中小尺度災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)預(yù)警都很有意義。
為便于說(shuō)明時(shí)間差法定位技術(shù)的原理，只考慮有兩個(gè)接收天線的情況。如圖3所示，假設(shè)A和B為兩個(gè)接收天線，d為基線長(zhǎng)度，入射電磁波沿著與基線成θ夾角的方向平行到達(dá)這兩個(gè)天線，時(shí)間差Δt與入射角(θ)的關(guān)系為Δt＝dcos(θ)/c，(1)其中c為真空中的光速。從式(1)可以看出，只需測(cè)得電磁波到達(dá)兩天線的時(shí)間差，就可以計(jì)算出閃電輻射源和基線的夾角(θ)。
圖4為閃電方位計(jì)算示意圖，其中A、B、C、D分別表示四個(gè)天線，P為空間任意一個(gè)輻射源，P′是P在地面上的投影，φ、θ為輻射源的方位角和仰角。為了計(jì)算方便，把整個(gè)半球形天空按照方位角平均分為四個(gè)區(qū)域，分別對(duì)應(yīng)平面直角坐標(biāo)系的一個(gè)象限。計(jì)算不同區(qū)域的閃電輻射源時(shí)分別用不同的天線組合，對(duì)于等效的基線在計(jì)算時(shí)間差時(shí)用其平均值。當(dāng)方位角在(0°-90°)范圍時(shí)，以天線DA為基準(zhǔn)天線，方位角在(90°-180°)時(shí)，以AB為基準(zhǔn)天線，依次類(lèi)推。在已知時(shí)間差的情況下，輻射源方位角和仰角的計(jì)算主要有兩種方式一是雙曲線法，二是正切函數(shù)法(正交基線法)。前者主要在長(zhǎng)基線時(shí)差法定位系統(tǒng)中應(yīng)用，后者比較適合用在短基線的輻射源定位系統(tǒng)中。本系統(tǒng)所介紹的短基線時(shí)差法閃電輻射源定位系統(tǒng)，天線陣列采用的是正交基線，因此選用后者計(jì)算輻射源的方位角和仰角。當(dāng)輻射源的方位角在(0°-90°)范圍內(nèi)時(shí)，有cosθ×cos＝cosPDA(2)cosθ×sin＝cosPDC(3)式中θ為輻射源的仰角，φ方位角。從(2)、(3)兩式可得＝arctg(Δtdc/Δtda)θ＝arccos((c/d×Δtda)2+(c/d×Δtdc)2)1/2在青海進(jìn)行的野外觀測(cè)實(shí)驗(yàn)中，示波器采用的是分段觸發(fā)的記錄方式，最多可以記錄1000段，每段的記錄時(shí)間長(zhǎng)度是1μs。示波器的采樣頻率是2GS/s，即采樣點(diǎn)之間的時(shí)間間隔是0.5ns。計(jì)算閃電輻射源方位時(shí)，只需要得出特征脈沖之間的采樣點(diǎn)差值就可以知道電磁波到達(dá)每個(gè)天線的時(shí)間差。
輻射源在其他區(qū)域時(shí)計(jì)算方法與(2)、(3)式類(lèi)似，計(jì)算方位角之前首先判斷其所在的范圍，然后根據(jù)所在范圍對(duì)計(jì)算結(jié)果作不同的角度修正就可以得到實(shí)際的方位角。
為了減小定位誤差，在實(shí)際閃電方位計(jì)算程序中，對(duì)于和某基線夾角小于25°的輻射源，使用天線陣列中處于對(duì)角線上的基線計(jì)算輻射源的方位，這樣可以盡量避免輻射源在基線的延長(zhǎng)線附近。例如，當(dāng)輻射源與基線DC的夾角小于25°時(shí)(即圖2.6中陰影部分1)，使用天線陣列中處于對(duì)角線上的基線，計(jì)算輻射源的方位，采用基線DB代替DC進(jìn)行定位；當(dāng)輻射源與基線DA夾角小于25°時(shí)(即圖4中陰影部分2)，采用基線CA代替DA進(jìn)行計(jì)算。除此之外，還采取了在讀取時(shí)間差時(shí)忽略各天線所記錄的波形相似程度較低的數(shù)據(jù)以及盡量選取視野開(kāi)闊的場(chǎng)地等措施提高定位精度。
閃電方位角和仰角的計(jì)算結(jié)果，分別作為一組數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來(lái)。定位結(jié)果通常采取仰角-方位角的顯示方式。但為了便于分析定位結(jié)果，有時(shí)也把方位角和仰角隨時(shí)間的變化分別給出。除此之外，還可給出輻射源定位結(jié)果的平面投影，忽略輻射源到測(cè)站距離的不同而把其投影到單位半徑的天體半球面上，然后投影到地面上以天線陣列為圓心的單位半徑的圓內(nèi)。但采用這種顯示方式有明顯的缺點(diǎn)，即仰角比較小的輻射源被壓縮到一個(gè)很小的環(huán)形區(qū)域內(nèi)，因此只適合輻射源仰角較大的情形，本系統(tǒng)盡量避免使用。
權(quán)利要求
1.一種短基線時(shí)差法超高頻閃電輻射源探測(cè)定位系統(tǒng)，是由桿狀偶極子天線、數(shù)字式四通道示波器、快天線電場(chǎng)變化儀、慢天線電場(chǎng)變化儀、DL708數(shù)字式示波器構(gòu)成，其特征在于4根特性相同的桿狀偶極子天線輸入信號(hào)電纜線分別與高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的相應(yīng)通道1至通道4相連接；高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的GPIB接口信號(hào)電纜線與微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的GPIB接口卡相連；快天線輸入信號(hào)電纜線與快天線電場(chǎng)變化儀相連接；慢天線輸入信號(hào)電纜線與慢天線電場(chǎng)變化儀相連接，快天線電場(chǎng)變化儀輸出信號(hào)電纜線與瞬態(tài)波形記錄器的信號(hào)輸入通道1端相連接；慢天線電場(chǎng)變化儀輸出信號(hào)電纜線與瞬態(tài)波形記錄器的信號(hào)輸入通道2端相連接；高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸出的觸發(fā)信號(hào)電纜線與瞬態(tài)波形記錄器的信號(hào)輸入通道3端相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種短基線時(shí)差法超高頻閃電輻射源探測(cè)定位系統(tǒng)，其特征在于桿狀偶極子天線長(zhǎng)為2-2.5米，每?jī)筛炀€垂直于水平面，其在水平面上的垂直投影點(diǎn)之間連接而構(gòu)成一條基線，基線為等長(zhǎng)度，且南北方向布設(shè)的兩基線與東西方向布設(shè)的兩基線之間呈垂直相交，四根特性相同、等長(zhǎng)的偶極子天線的垂直方向上的投影正好處在水平面上一正方型的四個(gè)頂點(diǎn)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種短基線時(shí)差法超高頻閃電輻射源探測(cè)定位系統(tǒng)，其特征在于桿狀偶極子天線中心頻率是280MHz，帶寬100MHz，設(shè)計(jì)增益為7-8dB。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種短基線時(shí)差法超高頻閃電輻射源探測(cè)定位系統(tǒng)，4根特性相同的桿狀偶極子天線輸入信號(hào)電纜線分別與高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的相應(yīng)通道1至通道4相連接；高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的GPIB接口信號(hào)電纜線與微計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的GPIB接口卡相連；快天線輸入信號(hào)電纜線與快天線電場(chǎng)變化儀相連接；慢天線輸入信號(hào)電纜線與慢天線電場(chǎng)變化儀相連接，快天線電場(chǎng)變化儀輸出信號(hào)電纜線與瞬態(tài)波形記錄器的信號(hào)輸入通道1端相連接；慢天線電場(chǎng)變化儀輸出信號(hào)電纜線與瞬態(tài)波形記錄器的信號(hào)輸入通道2端相連接；高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸出的觸發(fā)信號(hào)電纜線與瞬態(tài)波形記錄器的信號(hào)輸入通道4端相連接。利用高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備同步記錄閃電放電過(guò)程中產(chǎn)生的大量高頻和甚高頻電磁脈沖產(chǎn)生在四個(gè)天線的電場(chǎng)波形，然后通過(guò)微機(jī)對(duì)記錄到的多通道閃電放電過(guò)程電場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)時(shí)地計(jì)算出閃電輻射源的方位及其變化，可以較為直觀且詳細(xì)地了解閃電發(fā)生發(fā)展的物理過(guò)程，加深對(duì)閃電物理機(jī)制的認(rèn)識(shí)。
文檔編號(hào)G01S5/00GK1847876SQ20051004199
公開(kāi)日2006年10月18日 申請(qǐng)日期2005年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月13日
發(fā)明者郄秀書(shū), 張廣庶, 韋五周, 張泉, 董萬(wàn)勝 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所