專(zhuān)利名稱(chēng)：閃電輻射源三維定位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于氣象分析的設(shè)備，具體涉及一種用干涉法對(duì)閃電 輻射源三維定位的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
閃電的擊穿過(guò)程會(huì)產(chǎn)生一系列寬頻帶的電磁輻射，如果認(rèn)為每次 輻射脈沖對(duì)應(yīng)閃電通道中的 一個(gè)輻射源，那么通過(guò)對(duì)輻射脈沖的連續(xù) 定位就可以得到閃電通道的發(fā)展過(guò)程。利用接收閃電擊穿過(guò)程產(chǎn)生的
甚高頻段(VHF)電磁輻射，進(jìn)行閃電輻射源的定位是當(dāng)前閃電探測(cè)、
閃電物理研究中的一個(gè)重要手段。從原理上分，VHF輻射源定位方法
主要有VHF輻射源時(shí)差定位法和VHF輻射源干涉定位法兩種。時(shí)差定
位法適合于定位孤立的短脈沖電磁輻射源，而干涉定位法對(duì)于連續(xù)的
電磁輻射信號(hào)也具有較好的定位能力。
干涉定位法是利用閃電磁輻射信號(hào)到達(dá)多個(gè)天線(xiàn)間的相位差對(duì)
輻射源進(jìn)行定位的。單個(gè)站點(diǎn)的閃電干涉儀通過(guò)由四個(gè)不在同 一直線(xiàn)
上的天線(xiàn)構(gòu)成的三條短基線(xiàn)，可以提供輻射源相對(duì)于本站的方位角和
仰角。在早期的技術(shù)中由于接收機(jī)帶寬的限制，最早的窄帶寬干涉定
位法中，電磁輻射信號(hào)在通過(guò)濾波器時(shí)僅能接收某一特定頻率范圍的
窄帶電磁輻射信號(hào)，隨著高速大容量數(shù)字化記錄設(shè)備技術(shù)上的突破， 釆樣頻率和記錄時(shí)間長(zhǎng)度已允許對(duì)閃電磁輻射在較寬頻段內(nèi)進(jìn)行時(shí)
域觀測(cè)，1996年ShaoX.M.首次提出了寬帶干涉儀的模型，之后 Ushio[1997年]、董萬(wàn)勝[2000年]在此基礎(chǔ)上各自研制了用于二維定位 閃電寬帶干涉儀系統(tǒng)。
閃電寬帶干涉儀系統(tǒng)以很高的釆樣頻率直接釆樣來(lái)自天線(xiàn)的寬 帶電磁輻射信號(hào)，然后對(duì)這些信號(hào)作出快速付里葉變換后，可得到一系列不同頻率的窄帶信號(hào)，這樣就相當(dāng)于具有多個(gè)不同長(zhǎng)度基線(xiàn)的窄
帶干涉儀系統(tǒng)。這將使得寬帶干涉系統(tǒng)定位頻率的選擇更加靈活，系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單緊湊，在對(duì)閃電電磁輻射源進(jìn)行定位的同時(shí)還能夠得 到寬帶頻譜信息，因而成為閃電探測(cè)和研究的重要工具。
然而，目前的寬帶干涉儀系統(tǒng)主要還停留在單站的二維(方位角、 仰角)觀測(cè)上，不能給出閃電的三維空間信息，這使得人們對(duì)閃電放 電特征的了解帶有很大的不便和不確定性，限制了寬帶系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)的發(fā)
揮。日本的ManabuAKITA(2007ICAE)曾報(bào)道了他們集成的三維觀 測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可同時(shí)采集干涉儀天線(xiàn)與慢電場(chǎng)變化天線(xiàn)信息。但是 由于其采集方式的原因，兩者并沒(méi)有做到完全的同步，使得對(duì)于閃電 放電的物理過(guò)程不能夠確定；同時(shí)，由于其定位算法比較粗糙，三維 定位結(jié)果也不理想。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，提供一種用干涉法對(duì) 閃電輻射源三維定位的系統(tǒng)，它能夠以微秒級(jí)的時(shí)間分辨率揭示閃電 輻射源的三維空間演變特征，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)站點(diǎn)間對(duì)閃電過(guò)程的同步觀 測(cè)，站點(diǎn)內(nèi)寬帶干涉儀記錄的信息與快、慢電場(chǎng)變化記錄的信息完全 同步，并能夠提供閃電放電的高頻(30 MHz 300MHz)頻譜信息， 從而為了解閃電放電過(guò)程提供了更加直觀的手段。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是釆用一種用干涉法對(duì)閃電 輻射源三維定位的系統(tǒng)，包括
寬帶干涉信號(hào)釆集模塊，用于測(cè)量閃電輻射源的方位角和仰角， 該模塊的輸入端與寬帶干涉儀天線(xiàn)連接，該模塊的輸出的數(shù)據(jù)通過(guò) GPIB總線(xiàn)傳輸?shù)娇刂朴?jì)算機(jī)模塊，進(jìn)行必要的數(shù)據(jù)預(yù)處理；
快、慢天線(xiàn)信號(hào)釆集模塊，用于從不同時(shí)間尺度探測(cè)閃電引起地 面電場(chǎng)變化的大小和極性，該模塊的輸入端分別與快、慢天線(xiàn)連接， 該模塊的輸出端連接到信號(hào)釆集卡，釆集卡安裝在控制計(jì)算機(jī)模塊的PCI總線(xiàn)插槽；
GPS時(shí)鐘模塊，用于向系統(tǒng)提供精確的時(shí)間基準(zhǔn)，該模塊的輸入 端與GPS天線(xiàn)連接，該模塊將時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)分別發(fā)送到寬帶干涉信號(hào) 釆集模塊和計(jì)算機(jī)模塊；
計(jì)算機(jī)模塊，用于控制所述寬帶干涉信號(hào)釆集模塊、快、慢天線(xiàn) 信號(hào)釆集模塊、時(shí)鐘模塊的協(xié)調(diào)工作，所述計(jì)算機(jī)內(nèi)設(shè)有釆集數(shù)據(jù)控 制軟件，在所述計(jì)算機(jī)內(nèi)還設(shè)有用于計(jì)算至少兩個(gè)站點(diǎn)釆集數(shù)據(jù)交匯 坐標(biāo)的三位定位處理軟件；
所述寬帶干涉信號(hào)釆集模塊，快、慢天線(xiàn)信號(hào)釆集模塊，時(shí)鐘模 塊分別被設(shè)置在至少兩個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)，所述站點(diǎn)之間的計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò) 建立連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。
其中，在所述寬帶干涉信號(hào)釆集模塊中包括用于接收閃電高頻輻 射信號(hào)的4只寬帶干涉儀天線(xiàn)，所述寬帶干涉儀天線(xiàn)通過(guò)同軸電纜與 高通濾波器連接，所述高通濾波器與四通道高速數(shù)字釆集模塊連接。
其中，所述寬帶干涉儀天線(xiàn)為平板天線(xiàn)，所述寬帶干涉儀天線(xiàn)的 響應(yīng)頻帶為0 300MHz。
其中，所述高通濾波器的截止頻率為25MHz。
其中，在所述快、慢天線(xiàn)信號(hào)采集模塊中快天線(xiàn)的時(shí)間常數(shù)為 2ms，頻率響應(yīng)范圍lkHz 5MHz,慢天線(xiàn)的時(shí)間常數(shù)為6s,頻率響 應(yīng)范圍10Hz 2MHz，輸出電壓的動(dòng)態(tài)范圍均為土10V。
其中，在所述時(shí)鐘模塊中設(shè)有高穩(wěn)晶振，在所述時(shí)鐘模塊中還設(shè) 有1路觸發(fā)輸入口和打標(biāo)輸出串口；所述時(shí)鐘模塊可向采集模塊提供 lOMHz的正弦波信號(hào)，以及對(duì)計(jì)算機(jī)的粗略校時(shí)信號(hào)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果在于由于本發(fā)明提供了一種用干涉法 對(duì)閃電輻射源三維定位的系統(tǒng)，通過(guò)測(cè)量閃電輻射信號(hào)到達(dá)不同天線(xiàn) 的相位差，利用計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算出閃電輻射到達(dá)站點(diǎn)的方位角和仰 角，再利用不同站點(diǎn)得到閃電輻射源之間的方位角和仰角，交匯計(jì)算得到匯集點(diǎn)，就能夠真正的實(shí)現(xiàn)閃電輻射源的三維定位。該系統(tǒng)能夠 描繪云閃和地閃通道發(fā)展的詳細(xì)三維結(jié)構(gòu)，可用于區(qū)域閃電監(jiān)測(cè)和預(yù) 警。同時(shí)，該系統(tǒng)能夠同步得到閃電通道發(fā)展的寬帶頻譜以及快、慢 電場(chǎng)變化信息，結(jié)合三維定位計(jì)算結(jié)果，可以為閃電放電過(guò)程的物理 機(jī)制的探討、雷電物理的研究提供豐富的資料。
圖l是本發(fā)明中閃電輻射源三位定位模型圖； 圖2是本發(fā)明閃電輻射源三維定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖； 圖3是本發(fā)明中示波器分段采樣模式圖； 圖4a是本發(fā)明示波器釆樣軟件流程圖； 圖4b是本發(fā)明中時(shí)鐘串口通訊流程圖； 圖5是本發(fā)明中雙站交匯算法數(shù)學(xué)模型圖； 圖6是本發(fā)明中輻射點(diǎn)匹配算法數(shù)學(xué)模型圖； 圖7是本發(fā)明中兩站點(diǎn)布設(shè)模型圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步描 述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以 此來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
如附圖1至圖7所示，本發(fā)明具體實(shí)施的技術(shù)方案是 一種用干涉法對(duì)閃電輻射源三維定位的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括高頻 寬帶相干信號(hào)采集模塊4，用于測(cè)量閃電輻射源的方位角和仰角，該 模塊通過(guò)高頻寬帶干涉儀天線(xiàn)4-l接收閃電輻射電磁信號(hào)，該模塊的 信號(hào)輸入端為寬帶干涉儀天線(xiàn)4-1,該模塊將接收到的閃電輻射電磁 信號(hào)經(jīng)處理后由輸出端傳送到計(jì)算機(jī)5，即該模塊的輸出端與信號(hào)接 收端連接。該系統(tǒng)還包括快、慢天線(xiàn)信號(hào)釆集模塊6，該模塊通過(guò)快 6-1、慢6-2天線(xiàn)可探測(cè)閃電引起地面電場(chǎng)變化，該模塊的輸入信號(hào)分 別為快6-l、慢天線(xiàn)6-2接收到的探測(cè)信號(hào)，該模塊將接收到的信號(hào)經(jīng)處理后經(jīng)信號(hào)采集卡PCI，將快6-l、慢天線(xiàn)6-2接收到的探測(cè)信號(hào)傳 輸?shù)接?jì)算機(jī)5的信號(hào)接收端連接。該系統(tǒng)還包括時(shí)鐘模塊7，該時(shí)鐘模
塊用于向系統(tǒng)中的其它模塊和計(jì)算機(jī)提供精確的時(shí)間基準(zhǔn)，在該時(shí)鐘 模塊7中設(shè)有時(shí)鐘天線(xiàn)7-1,該時(shí)鐘模塊7可將時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)通過(guò)該模 塊的輸出端，分別發(fā)送到寬帶干涉信號(hào)釆集模塊4和計(jì)算機(jī)5。計(jì)算機(jī) 5，用于控制所述寬帶干涉信號(hào)釆集模塊4、快、慢天線(xiàn)信號(hào)采集模塊 6、時(shí)鐘模塊7的協(xié)調(diào)工作，在所述計(jì)算機(jī)5內(nèi)安裝有對(duì)各種釆集數(shù)據(jù) 進(jìn)行控制的軟件，在所述計(jì)算機(jī)5內(nèi)還裝有用于計(jì)算至少兩個(gè)站點(diǎn)所 釆集的閃電輻射數(shù)據(jù)交匯坐標(biāo)的三位定位處理軟件。將由所述寬帶干 涉信號(hào)釆集模塊4，快、慢天線(xiàn)信號(hào)釆集模塊5，時(shí)鐘模塊7以及控制 計(jì)算機(jī)模塊5構(gòu)成的閃電輻射源三維定位系統(tǒng)(寬帶干涉儀)分別安 裝在至少兩個(gè)站點(diǎn)中，所述站點(diǎn)之間的計(jì)算機(jī)5通過(guò)網(wǎng)絡(luò)建立連接。
在本實(shí)施例中，在所述寬帶干涉信號(hào)釆集模塊4中包括用于接收 閃電高頻輻射信號(hào)的4根寬帶干涉儀天線(xiàn)4-1,所述寬帶干涉儀天線(xiàn) 4-1通過(guò)同軸電纜與高通濾波器4-2連接，所述高通濾波器4-2與四 通道高速數(shù)字存儲(chǔ)示波器4-3連接。
在本實(shí)施例中，所述寬帶干涉儀天線(xiàn)4-l為平板天線(xiàn)，所述寬帶 干涉儀天線(xiàn)4-1的響應(yīng)頻帶為0 300MHz。
在本實(shí)施例中，所述高通濾波器4-2的截止頻率為25MHz。
在本實(shí)施例中，在所述快、慢天線(xiàn)信號(hào)釆集模塊6中快天線(xiàn)6-l 的時(shí)間常數(shù)為2ms,頻率響應(yīng)范圍lkHz 5MHz，慢天線(xiàn)6-2的時(shí)間 常數(shù)為6s，頻率響應(yīng)范圍10Hz 2MHz,輸出電壓的動(dòng)態(tài)范圍均為土 10 V。
在本實(shí)施例中，在所述時(shí)鐘模塊7中設(shè)有高穩(wěn)晶振，在所述時(shí)鐘 模塊中還設(shè)有1路觸發(fā)輸入口和打標(biāo)輸出串口；所述時(shí)鐘模塊7可向 示波器4-3提供lOMHz正弦波穩(wěn)定輸出信號(hào)參考頻率，以及對(duì)計(jì)算 機(jī)5的粗略校時(shí)信號(hào)。在本實(shí)施例中，所述三維閃電輻射源定位構(gòu)架是基于現(xiàn)有的寬帶 干涉儀系統(tǒng)能夠提供輻射源的方位角、仰角信息。本發(fā)明是通過(guò)對(duì)多 個(gè)分布的站點(diǎn)同步觀測(cè)，對(duì)于每一個(gè)輻射源，各個(gè)站點(diǎn)都可提供一組 方位角、仰角，由多個(gè)站點(diǎn)在空間的交匯點(diǎn)即可得到閃電輻射源的三 維空間位置，如圖l。為實(shí)現(xiàn)三維定位，至少需要設(shè)置2個(gè)站點(diǎn)。
然而，閃電是一種瞬間的自然現(xiàn)象，在一次閃電中不同頻率輻射 源之間的間隔很短，可以達(dá)到幾個(gè)微秒。為了使多個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)能夠
指向同一個(gè)輻射源，需要每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)程序高精度的同步；同時(shí)，
為了從各組角度中解算出輻射源的空間坐標(biāo)，需要設(shè)計(jì)有合理的定位 對(duì)單站系統(tǒng)的硬件集成和數(shù)據(jù)釆集
單站系統(tǒng)是整個(gè)三維定位系統(tǒng)的最小單位。整個(gè)系統(tǒng)可分為4個(gè) 模塊寬帶相干信號(hào)釆集模塊4，快6-l、慢6-2電場(chǎng)變化天線(xiàn)(簡(jiǎn)稱(chēng) 快、慢天線(xiàn))釆集模塊6，時(shí)鐘模塊7和計(jì)算機(jī)5控制端，系統(tǒng)的組 成框圖如圖2所示。
寬帶干涉信號(hào)采集模塊4主要用于實(shí)現(xiàn)寬帶閃電輻射信號(hào)的記 錄，其工作方式和以往的干涉儀系統(tǒng)相似。4個(gè)寬帶干涉儀天線(xiàn)4-l， 響應(yīng)頻帶0 300MHz。天線(xiàn)沿用平板天線(xiàn)，用于接收閃電的高頻輻射 信號(hào)。利用4根完全相同的同軸電纜通過(guò)低端截止頻率為25MHz高 通濾波器4-2與 一臺(tái)四通道高速數(shù)字存儲(chǔ)示波器4-3相連。所述示波 器4-3釆用獨(dú)特的"限定觸發(fā)方式(Qualify trigger mode)"以減少誤觸 發(fā)當(dāng)外部觸發(fā)后在限定時(shí)間內(nèi)和內(nèi)部觸發(fā)條件同時(shí)滿(mǎn)足時(shí)示波器 4-3開(kāi)始記錄第一段閃電輻射信號(hào)，而后段的觸發(fā)僅由內(nèi)部觸發(fā)條件 決定。
快、慢天線(xiàn)信號(hào)釆集模塊6用于同步記錄電場(chǎng)變化曲線(xiàn)?？?-l、 慢6-2天線(xiàn)(電場(chǎng)變化儀)可從不同的時(shí)間尺度探測(cè)閃電引起地面電 場(chǎng)變化的大小和極性，時(shí)間常數(shù)分別為2ms和6s，頻率響應(yīng)范圍分別為1 kHz~ 5 MHz和10Hz 2MHz，輸出動(dòng)態(tài)范圍均為士10 V?？?慢天線(xiàn)信號(hào)通過(guò)與計(jì)算機(jī)連接的數(shù)據(jù)釆集卡PCI 5-1，釆集快、慢天
線(xiàn)接收到的探測(cè)信號(hào)。
時(shí)鐘模塊7用于向系統(tǒng)提供精確的時(shí)間基準(zhǔn)。在本實(shí)施例中，釆 用HJ5432B時(shí)鐘高穩(wěn)晶振，該模塊可提供1路觸發(fā)輸入口和打標(biāo)輸 出串口。打標(biāo)輸出串口能夠給觸發(fā)輸入口的上升沿(TTL電平)發(fā) 生時(shí)的高精度時(shí)間戳信息，精度30ns(RMS)。另外，輸出lOMHz 正弦波的穩(wěn)定輸出信號(hào)向示波器提4-3供參考頻率，以及對(duì)計(jì)算機(jī)5 的粗略校時(shí)信號(hào)。
為實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)同工作，需要設(shè)計(jì)合理的控制程序和觸發(fā)流 程。在圖2中，實(shí)線(xiàn)為數(shù)據(jù)流，虛線(xiàn)表示觸發(fā)流。其中，快6-l天線(xiàn) 的一路信號(hào)接入示波器4-3的輔助輸入端(AUX IN)作為外觸發(fā)輸 入，而寬帶干涉儀天線(xiàn)4-l的信號(hào)則被作為內(nèi)觸發(fā)，這樣，當(dāng)滿(mǎn)足示 波器4-3的"限定觸發(fā)"條件時(shí)，作為示波器4-3觸發(fā)開(kāi)始記錄第一段 閃電輻射信號(hào)，同時(shí)示波器4-3的輔助輸出端(AUX OUT)輸出標(biāo) 準(zhǔn)觸發(fā)信號(hào)，同時(shí)觸發(fā)計(jì)算機(jī)上的PCI釆集卡5-1和時(shí)鐘模塊7，計(jì) 算機(jī)上的PCI釆集卡5-1檢測(cè)到外部觸發(fā)后開(kāi)始記錄，而時(shí)鐘模塊7 則產(chǎn)生這一觸發(fā)信號(hào)的高精度時(shí)間戳信息7-2，通過(guò)串口由計(jì)算機(jī)5 釆集。
這一過(guò)程由計(jì)算機(jī)5控制運(yùn)行。通過(guò)計(jì)算機(jī)5控制端的數(shù)據(jù)釆集 軟件控制示波器4-3、釆集卡PCI5-1和時(shí)鐘模塊7的協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn) 單個(gè)站點(diǎn)內(nèi)干涉儀天線(xiàn)4-l、快6-l、慢6-2天線(xiàn)信號(hào)的同步釆集和實(shí) 時(shí)顯示，并將采集信號(hào)存至硬盤(pán)。計(jì)算機(jī)5內(nèi)釆集數(shù)據(jù)控制軟件的主 要流程如圖4。其中釆集卡和示波器的采集流程相似，如圖4 (a)表示， 而時(shí)鐘串口通信的軟件控制流程如圖4 (b)。
由圖2所示的觸發(fā)信號(hào)由時(shí)鐘模塊上產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)輸入后，時(shí)鐘 模塊立即產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的時(shí)間標(biāo)簽信息輸出至C0M1 ，這時(shí)將產(chǎn)生 一個(gè)串口回調(diào)事件，計(jì)算機(jī)5通過(guò)讀.串口將時(shí)間戳寫(xiě)入線(xiàn)程安全變量。當(dāng)釆 集設(shè)備將數(shù)據(jù)釆入其內(nèi)部存儲(chǔ)器后，查詢(xún)線(xiàn)程安全變量，將得到的時(shí)
間信息作為本次閃電數(shù)據(jù)的文件名。由于美國(guó)力科示波器4-3是設(shè)置
在分段記錄的工作方式下，每一段的觸發(fā)同時(shí)都會(huì)在輔助輸出端
(AUX OUT)產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)脈沖，因?yàn)樵谝淮伍W電過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很 多觸發(fā)脈沖，這時(shí)可以控制釆集程序在一次閃電過(guò)程中僅允許第一次 回調(diào)產(chǎn)生時(shí)間標(biāo)簽，而軟屏蔽其它脈沖。 三維閃電輻射源的定位算法
在本發(fā)明中，當(dāng)多個(gè)站點(diǎn)釆集到同步的觀測(cè)信號(hào)之后，在每個(gè)單 站上利用原寬帶干涉儀的求解算法，就可以得到各自的一組輻射源的 方位角、仰角時(shí)間序列。由于各站所位于的地理環(huán)境、與閃電輻射源 的距離均不相同，因此，各站點(diǎn)到輻射源的距離、方位角各不相同。 這就需要設(shè)計(jì)合理的數(shù)據(jù)匹配算法尋找各站相互對(duì)應(yīng)的輻射點(diǎn)，然后 再通過(guò)三維定位算法求解輻射源的三維坐標(biāo)。在實(shí)際操作中，需要兩 者的相互配合，以找到最佳的輻射源位置。最后，為了保證定位質(zhì)量， 需要對(duì)定位結(jié)果的合理性作出估計(jì)。
下面結(jié)合一次夏季的野外試驗(yàn)過(guò)程詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的工作情況
1、 站點(diǎn)的布設(shè)
按照三維定位的最小要求，布設(shè)兩個(gè)站點(diǎn)A、 B。如圖7所示，兩 測(cè)量站點(diǎn)之間相距8.15km,海拔高度分別為37m和74m。在每個(gè)站點(diǎn) 中各布設(shè)4個(gè)寬帶干涉儀天線(xiàn)，位于正方形的四個(gè)頂點(diǎn)，按照順時(shí)針 由l-4編號(hào)，短基線(xiàn)長(zhǎng)度分別為10m和15m。 l-4天線(xiàn)的基線(xiàn)均指向正 北。另外，每個(gè)站點(diǎn)各有一套快6-l、慢6-2電場(chǎng)變化儀，用于同步觀 測(cè)本站點(diǎn)的電場(chǎng)變化。
2、 釆集參數(shù)設(shè)置
示波器4-3采用美國(guó)力科7100A。示波器4-3的帶寬為lGHz,分 辨率8bit,輸入阻抗選擇50Q,每通道內(nèi)置8M的存儲(chǔ)空間，釆樣率設(shè)置為1GS/S。為有效利用存儲(chǔ)空間，釆用示波器提供的"分段釆集"
的釆樣模式，如圖3所示，僅當(dāng)信號(hào)滿(mǎn)足給定閾值時(shí)才會(huì)觸發(fā)一段記 錄。預(yù)置4000段，每段2K個(gè)釆樣點(diǎn)，每段保留20%的預(yù)觸發(fā)，段 間"死時(shí)間(dead time)"在1微秒內(nèi)。設(shè)置相鄰兩段間最大間隔為 300ms,超時(shí)則令該次閃電的輻射源記錄結(jié)東。
采集卡5-1釆用外觸發(fā)模式，兩個(gè)通道分別釆集快6-1、慢6-2 電場(chǎng)變化天線(xiàn)，釆樣率預(yù)設(shè)為lMS/s， 一次釆樣時(shí)間ls，預(yù)觸發(fā)20%。
其它儀器連接參照附圖2。打開(kāi)各儀器電源，之后，依次點(diǎn)擊釆 集軟件"開(kāi)釆集卡"、"開(kāi)示波器"、"開(kāi)COM",取得連接。待各自指 示燈變綠之后，點(diǎn)擊"開(kāi)始釆集"，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)釆集階段。此外，可 以通過(guò)改變面板中的各種參數(shù)調(diào)節(jié)釆集設(shè)備的釆集參數(shù)，并可以選擇 手動(dòng)記錄和自動(dòng)記錄的工作方式。采集結(jié)束后，點(diǎn)擊"停止釆集"停止 采集過(guò)程，點(diǎn)"退出"退出釆集系統(tǒng)。 3、 雙站三維定位
下面以該雙站系統(tǒng)為例，分析雙站輻射源的交匯和匹配算法。 1)、雙站交匯算法
假設(shè)由兩個(gè)站A、 B釆集的數(shù)據(jù)分別計(jì)算得到了相對(duì)于本站的一組 方位角和仰角，需要設(shè)計(jì)合理的算法求解輻射源的三維坐標(biāo)，以盡可 能的減小定位誤差。本發(fā)明借鑒雙經(jīng)緯儀基線(xiàn)測(cè)風(fēng)算法(現(xiàn)有已知技 術(shù))求解輻射源的三維坐標(biāo)，現(xiàn)將算法原理簡(jiǎn)述如下
如圖5所示，建立坐標(biāo)系，取站A為坐標(biāo)原點(diǎn)，AB在水平面上的投 影為y軸，兩站的方位角都以y軸的正向?yàn)镺。，順時(shí)針?lè)较蛟龃?，x軸 的正向指向90。， z軸垂直指向天頂。AD、 BC分別為沿兩站方位角、 仰角的兩條射線(xiàn)，CD是異面直線(xiàn)AD與BC的公垂線(xiàn)。則輻射源最大可 能位于CD上的某點(diǎn)P處，且P點(diǎn)在線(xiàn)段CD中的位置與AD、 BC的長(zhǎng)度 有關(guān)，長(zhǎng)度越小，對(duì)應(yīng)的可靠性越高，這樣，根據(jù)圖5，利用空間矢 量關(guān)系，就可以得到P點(diǎn)的三維坐標(biāo)。P點(diǎn)就更接近這一端，因而滿(mǎn)足DP _爿D
另外，由公垂線(xiàn)CD的長(zhǎng)度，可以反映每次三維定位后的誤差大 小，這對(duì)于數(shù)據(jù)的匹配和可靠性分析非常有意義。
2)、輻射點(diǎn)匹配算法 匹配算法主要依據(jù)時(shí)間信息，匹配后根據(jù)定位得到的位置和匹 配點(diǎn)的時(shí)間差對(duì)匹配的正確性進(jìn)行判斷，近距離的應(yīng)該先發(fā)生，如果 同一點(diǎn)有多個(gè)組合滿(mǎn)足匹配條件，選取誤差較小的組合，匹配后，匹 配線(xiàn)不能交叉。
如圖6所示，t為時(shí)間軸，其上的各黑點(diǎn)表示各站點(diǎn)得到的輻射 點(diǎn)在時(shí)間軸上的位置?，F(xiàn)在要尋找A站與B站的對(duì)應(yīng)點(diǎn)。假設(shè)B站 匹配到了序號(hào)為0的這一點(diǎn)，首先根據(jù)雙站允許的最大時(shí)間差 At—max,設(shè)A站的0 4點(diǎn)都符合要求。這時(shí)，分別對(duì)這5個(gè)組合用 3.1節(jié)所述方法得到輻射源的估計(jì)空間位置，再由輻射源到兩個(gè)站的 距離差和接收到的時(shí)間差的關(guān)系反推匹配的正確性，若0 3均滿(mǎn)足正 確性條件，則選取誤差最小的匹配0-0作為最佳匹配。
另外，在匹配過(guò)程中，根據(jù)時(shí)間先后關(guān)系，匹配線(xiàn)不能交叉。 如果得到了一組交叉點(diǎn)匹配線(xiàn)，如圖中虛線(xiàn)所示，由于A站的點(diǎn)3 早于點(diǎn)4， B站的點(diǎn)2早于點(diǎn)3，所以如果認(rèn)為A站的點(diǎn)3和B站點(diǎn) 3對(duì)應(yīng)同一個(gè)輻射源，從時(shí)間先后關(guān)系看，A站的點(diǎn)2和B站的點(diǎn)4 就不可能匹配為一個(gè)輻射源。這時(shí)，需要根據(jù)兩者的誤差去掉其中一 組。
3)、質(zhì)量控制
為了使得到的輻射點(diǎn)位置可靠，還需要進(jìn)一步的做質(zhì)量控制。 由于系統(tǒng)具有高精度的時(shí)鐘子系統(tǒng)，在每個(gè)輻射源記錄時(shí)都會(huì)記 錄高精度的觸發(fā)時(shí)刻。若通過(guò)以上算法得到了雙站對(duì)應(yīng)的同一個(gè)輻射 源的三維坐標(biāo)，則該輻射源距離兩個(gè)站點(diǎn)的距離差也就確定，從而時(shí) 間差也就很容易得到。由此得到的時(shí)間差和雙站系統(tǒng)時(shí)鐘記錄的各自輻射點(diǎn)的時(shí)間差比較，若相差太大，則認(rèn)為此次定位不合理，從而應(yīng) 該剔除。
另外，根據(jù)前人對(duì)閃電通道的已有認(rèn)識(shí)，輻射源的位置一般在 零到十幾千米以?xún)?nèi)，如果零星輻射源的超出了這一區(qū)域，同樣認(rèn)為不 合理予以剔除。
以上算法構(gòu)成了三維定位處理程序，該程序能夠自動(dòng)完成閃電輻 射源的三維定位及顯示。
本實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)和在于，由于本發(fā)明提供了一種用干涉法對(duì)閃電 輻射源三維定位的系統(tǒng)，通過(guò)多個(gè)站點(diǎn)的同步觀測(cè)，能夠真正的實(shí)現(xiàn) 閃電輻射源的三維定位，該系統(tǒng)能夠描繪云閃和地閃通道發(fā)展的詳細(xì) 三維結(jié)構(gòu)，可用于區(qū)域閃電監(jiān)測(cè)和預(yù)警。同時(shí)，該系統(tǒng)能夠同步得到 閃電通道發(fā)展的寬帶頻譜以及快、慢電場(chǎng)變化信息，結(jié)合三維定位結(jié) 果，可以為閃電放電過(guò)程的物理機(jī)制的探討、雷電物理的研究提供豐 富的資料。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng) 域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以 做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、一種用干涉法對(duì)閃電輻射源三維定位的系統(tǒng)，其特征在于，包括寬帶相干信號(hào)采集模塊，用于測(cè)量閃電輻射源的方位角和仰角，VHF寬帶天線(xiàn)連接直接連接到該模塊的輸入端；快、慢天線(xiàn)信號(hào)采集模塊，用于捕獲不同時(shí)間尺度探測(cè)閃電引起地面電場(chǎng)變化波形，該模塊的輸入端分別與快、慢天線(xiàn)連接；GPS時(shí)鐘模塊，用于向系統(tǒng)提供精確的時(shí)間基準(zhǔn)，該模塊的輸入端與GPS天線(xiàn)連接，該模塊將時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)分別發(fā)送到寬帶干涉信號(hào)采集模塊和控制計(jì)算機(jī)模塊；控制計(jì)算機(jī)模塊，用于控制所述寬帶相干信號(hào)采集模塊、快、慢天線(xiàn)信號(hào)采集模塊、時(shí)鐘模塊的協(xié)調(diào)工作，所述計(jì)算機(jī)內(nèi)設(shè)有采集數(shù)據(jù)控制軟件，在所述計(jì)算機(jī)內(nèi)還設(shè)有用于計(jì)算至少兩個(gè)站點(diǎn)采集數(shù)據(jù)交匯坐標(biāo)的三位定位處理軟件；所述由寬帶相干信號(hào)采集模塊，快、慢天線(xiàn)信號(hào)采集模塊，時(shí)鐘模塊以及控制計(jì)算機(jī)模塊構(gòu)成的閃電輻射源三維定位系統(tǒng)(寬帶干涉儀)分別被設(shè)置在至少兩個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)，所述站點(diǎn)之間的計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)建立連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸。
2、 如權(quán)利要求1所述用干涉法對(duì)閃電輻射源三維定位的系統(tǒng)， 其特征在于，在所述寬帶相干信號(hào)采集模塊中包括用于接收閃電高頻 輻射信號(hào)的4個(gè)寬帶干涉儀天線(xiàn)，所述寬帶干涉儀天線(xiàn)通過(guò)同軸電纜 與高通濾波器連接，所述高通濾波器與四通道高速數(shù)據(jù)采集模塊相連 接。
3、 如權(quán)利要求2所述用干涉法對(duì)閃電輻射源三維定位的系統(tǒng)， 其特征在于，所述寬帶干涉儀天線(xiàn)為平板天線(xiàn)，所述寬帶干涉儀天線(xiàn) 的響應(yīng)頻帶為0-300MHz。
4、 如權(quán)利要求2所述用干涉法對(duì)閃電輻射源三維定位的系統(tǒng)，其特征在于，所述高通濾波器的截止頻率為25MHz。
5、 如權(quán)利要求1所述用干涉法對(duì)閃電輻射源三維定位的系統(tǒng)， 其特征在于，在所述快、慢天線(xiàn)信號(hào)采集模塊中，快天線(xiàn)的時(shí)間常數(shù) 為2ms,頻率響應(yīng)范圍lkHz 5MHz，慢天線(xiàn)的時(shí)間常數(shù)為6s，頻率 響應(yīng)范圍10Hz 2MHz，輸出電壓的動(dòng)態(tài)范圍均為土10V。
6、 如權(quán)利要求1所述用干涉法對(duì)閃電輻射源三維定位的系統(tǒng)， 其特征在于，在所述時(shí)鐘模塊中設(shè)有高穩(wěn)晶振，在所述時(shí)鐘模塊中還 設(shè)有1路觸發(fā)輸入口和打標(biāo)輸出串口；所述時(shí)鐘模塊可向高速數(shù)字釆 集模塊提供lOMHz正弦波穩(wěn)定輸出信號(hào)參考頻率，以及對(duì)計(jì)算機(jī)的 粗略校時(shí)信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種閃電輻射源三維定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)將寬帶相干信號(hào)采集模塊、快、慢天線(xiàn)信號(hào)采集模塊、時(shí)鐘模塊和控制計(jì)算機(jī)模塊構(gòu)成的閃電輻射源三維定位系統(tǒng)分別安裝在至少兩個(gè)站點(diǎn)上；對(duì)于每個(gè)閃電輻射源，寬帶相干信號(hào)采集模塊將同時(shí)提供一組方位角、仰角信號(hào)，快、慢天線(xiàn)采集模塊也將同步記錄電場(chǎng)變化信號(hào)，時(shí)鐘模塊將同步給寬帶相干信號(hào)采集模塊和計(jì)算機(jī)提供精確的時(shí)間基準(zhǔn)信號(hào)，上述信號(hào)也將同步傳送給控制計(jì)算機(jī)模塊；由各站點(diǎn)計(jì)算機(jī)內(nèi)的軟件控制程序控制各站點(diǎn)中的相應(yīng)模塊協(xié)調(diào)工作；各站點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；由計(jì)算機(jī)中的三維定位處理軟件，計(jì)算出各站點(diǎn)得到閃電輻射源方位角和仰角數(shù)據(jù)，交匯后得到輻射源的空間位置。
文檔編號(hào)G01S5/16GK101609144SQ20091009011
公開(kāi)日2009年12月23日 申請(qǐng)日期2009年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月29日
發(fā)明者劉恒毅, 張義軍, 濤 王, 董萬(wàn)勝, 實(shí) 邱 申請(qǐng)人:中國(guó)氣象科學(xué)研究院