一種應(yīng)用于氣象臺站的雷暴日自動記錄系統(tǒng)及其記錄方法
【專利摘要】一種應(yīng)用于氣象臺站的雷暴日自動記錄系統(tǒng)及其記錄方法，系統(tǒng)包括一臺或多臺雷暴日自動記錄裝置和一個遠(yuǎn)程服務(wù)器，雷暴日自動記錄裝置包括電場平板天線、麥克風(fēng)陣列、太陽能電池板、GPS天線、終端和支架，電場平板天線、麥克風(fēng)陣列、太陽能電池板、GPS天線、終端均安裝在支架上；麥克風(fēng)陣列由若干個對稱平均分布在繞所述支架一定距離的平面圓形陣列上的麥克風(fēng)組成；雷暴日自動記錄裝置通過3G通信模塊與3G網(wǎng)絡(luò)通信，同時，遠(yuǎn)程服務(wù)器通過INTERNET網(wǎng)絡(luò)連接到3G網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明的有益效果：自動記錄雷電發(fā)生時間和方位，并將雷電數(shù)據(jù)發(fā)給遠(yuǎn)程服務(wù)器，遠(yuǎn)程服務(wù)器統(tǒng)計每次雷暴過程的起止時間和開始、終止方向，并計算觀測站轄區(qū)的年雷暴日；成本低廉、簡單可靠。
【專利說明】一種應(yīng)用于氣象臺站的雷暴日自動記錄系統(tǒng)及其記錄方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及自然雷電監(jiān)測與防護(hù)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種應(yīng)用于氣象臺站的雷暴日自動記錄系統(tǒng)及其記錄方法。
【背景技術(shù)】
[0002]作為現(xiàn)有防雷工程領(lǐng)域和氣象業(yè)務(wù)的一個重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，雷電參數(shù)(如雷暴日、雷電頻數(shù)、雷電密度等)可直接表明某一區(qū)域雷電活動的強(qiáng)弱特征。而其中的雷暴日參數(shù)是目前唯一有長期記錄且在現(xiàn)有工程領(lǐng)域廣泛使用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，具有重要價值。《建筑物防雷設(shè)計規(guī)范》(GB50057-2010)中就廣泛使用了雷暴日這一參數(shù)，如:
[0003]“A.0.2雷擊大地的年平均密度，首先應(yīng)按當(dāng)?shù)貧庀笈_、站資料確定；若無此資料，可按下式計算。
[0004]Ng=0.1 X Td(A.0.2)
[0005]式中:Td—年平均雷暴日，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笈_、站資料確定(d/a)?！?br> [0006]據(jù) 申請人:查詢知，《地面氣象觀測規(guī)范》第4部分:天氣現(xiàn)象觀測(QX/T48-2007)中對雷暴日的記錄方式做了規(guī)定:
[0007]“( 9 )雷暴應(yīng)從整體出發(fā)判別其系統(tǒng)，記錄其起止時間和開始、終止方向，切忌零亂記載”。
[0008]雷暴的觀測與記錄通常是依靠觀測員是否聽到雷聲來記錄雷暴的發(fā)生時間及相對方位，I天中只要聽到I次或以上的雷聲即計為I個雷暴日，即人工雷暴日。人工雷暴日依賴于觀測員的主觀判斷，跟他對雷聲敏感度、聽覺能力、所處地形與環(huán)境有關(guān)。國外科學(xué)研究表明，聽力好的人可以聽到20km以外的雷聲，聽力不好的人連5km處發(fā)生的雷聲都聽不到，從而造成了現(xiàn)有人工記錄雷暴日的方式不夠客觀準(zhǔn)確。同時，在國家一般氣象站由于沒有24h值班制度，夜間發(fā)生的雷電很容易漏記，也會導(dǎo)致雷暴日數(shù)少于實際發(fā)生雷電的天數(shù)。所以急需一種自動記錄雷暴日的方法與裝置來替代人工記錄。
[0009]專利申請?zhí)?01110000685.6的申請文件提供了一種自動記錄年雷暴日的裝置，能夠自動記錄雷暴發(fā)生的時間和次數(shù)，并通過軟件計算觀測站轄區(qū)的年雷暴日。而根據(jù)《地面氣象觀測規(guī)范》的要求，該裝置的缺陷就在于，該裝置缺少辨別雷暴方位的方法與功能，所以，并不能起到替代人工記錄雷暴日的作用。
[0010]另據(jù) 申請人:所知，文獻(xiàn)《雷電日統(tǒng)計方法》中使用了網(wǎng)格法來對雷電定位系統(tǒng)自動監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，實現(xiàn)了對雷暴日參數(shù)的非人工統(tǒng)計。但是無論是雷電災(zāi)害風(fēng)險評估還是建筑物選址等雷電防護(hù)工程所用到的雷暴日資料，都要求反映歷史上的氣候平均狀況，因此要用多年的監(jiān)測資料。該方法的缺陷就在于，區(qū)域性的雷電定位資料積累的年數(shù)短，為便于氣象業(yè)務(wù)和防雷工程領(lǐng)域在現(xiàn)有防雷設(shè)計規(guī)程下參考，仍需用氣象雷暴日資料延長網(wǎng)格法分析雷電定位資料得到的雷暴日資料，且長期積累的氣象雷暴日資料是確定網(wǎng)格法中網(wǎng)格大小選取的唯一標(biāo)尺。另外，網(wǎng)格法也不能避免部分氣象臺站觀測點處于網(wǎng)格邊緣的不合理性。[0011]長期積累的雷暴日參數(shù)對于防雷工程設(shè)計和氣象歷史數(shù)據(jù)研究有重要的價值，將來也會與其他新的雷電參數(shù)并存。因此，提高其監(jiān)測手段，完善其統(tǒng)計方法是首要任務(wù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有雷電監(jiān)測存在的上述不足，提供一種應(yīng)用于氣象臺站的雷暴日自動記錄系統(tǒng)及其記錄方法，自動記錄雷電的發(fā)生時間和方位，并將雷電數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)程服務(wù)器，遠(yuǎn)程服務(wù)器統(tǒng)計出每次雷暴過程的起止時間和開始、終止方向，并能計算出觀測站轄區(qū)的年雷暴日。
[0013]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0014]一種應(yīng)用于氣象臺站的雷暴日自動記錄系統(tǒng)，包括一臺或多臺雷暴日自動記錄裝置和一個遠(yuǎn)程服務(wù)器，
[0015]所述雷暴日自動記錄裝置包括電場平板天線、麥克風(fēng)陣列、太陽能電池板、GPS天線、終端和支架，所述電場平板天線、麥克風(fēng)陣列、太陽能電池板、GPS天線、終端均安裝在支架上；所述電場平板天線用于探測雷電發(fā)生時的電場信號，所述麥克風(fēng)陣列由若干個對稱平均分布在繞所述支架一定距離的平面圓形陣列上的麥克風(fēng)組成；所述終端包括調(diào)理電路、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路、與門電路、電源控制器模塊、蓄電池和通信記錄單元，所述調(diào)理電路由放大器和濾波器組成，所述通信記錄單元由GPS時間模塊、中央處理模塊、3G通信模塊和存儲模塊組成，所述電場平板天線經(jīng)過調(diào)理電路、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路與各個與門電路的一個輸入端連接，所述各個麥克風(fēng)陣列分別經(jīng)過調(diào)理電路、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路與對應(yīng)一路與門電路的另一個輸入端連接，各個與門電路的輸出端均連接到中央處理模塊，所述GPS天線通過GPS時間模塊與中央處理模塊連接，所述太陽能電池板和蓄電池分別通過電源控制器模塊與中央處理模塊連接，所述3G通信模塊和存儲模塊分別與中央處理模塊連接；
[0016]所述雷暴日自動記錄裝置通過3G通信模塊與3G網(wǎng)絡(luò)通信，同時，所述遠(yuǎn)程服務(wù)器通過INTERNET網(wǎng)絡(luò)連接到3G網(wǎng)絡(luò)，用于接收當(dāng)前各個雷暴日自動記錄裝置上傳的雷暴數(shù)據(jù)、并調(diào)用及查看保存在所述雷暴日自動記錄裝置中的歷史數(shù)據(jù)。
[0017]按上述方案，所述雷暴日自動記錄裝置根據(jù)組網(wǎng)方案架設(shè)于各個氣象臺站的觀測點，且各個雷暴日自動記錄裝置均設(shè)定唯一的識別碼。
[0018]按上述方案，所述麥克風(fēng)陣列由8個頻段均為15Hz?20kHz的麥克風(fēng)組成，1-8#麥克風(fēng)對稱平均分布(兩兩夾角為45° )在繞所述支架半徑0.5m的平面圓形陣列遠(yuǎn)端部。
[0019]按上述方案，所述1-8#麥克風(fēng)按順時針排列，1#麥克風(fēng)位于正對北向、2#麥克風(fēng)正對東北向、3#麥克風(fēng)正對東向、4#麥克風(fēng)正對東南向、5#麥克風(fēng)正對南向、6#麥克風(fēng)正對西南向、7#麥克風(fēng)正對西向、8#麥克風(fēng)正對西北向。
[0020]本發(fā)明還提供了一種利用上述雷暴日自動記錄系統(tǒng)進(jìn)行雷暴日自動記錄的方法，該方法包括以下步驟:
[0021]I)當(dāng)有雷電發(fā)生時，電場平板天線接收到雷電過程發(fā)生時產(chǎn)生的電場信號，電場信號經(jīng)過調(diào)理電路的放大、濾波操作后，進(jìn)入與調(diào)理電路相連的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，一旦超過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路預(yù)先設(shè)定的觸發(fā)閾值，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路便輸出持續(xù)時間t的+5V窗口電平信號給與之相連的與門電路；
[0022]2)在雷電電場信號接收到之后，麥克風(fēng)陣列的8路精密麥克風(fēng)也接收到雷聲信號，雷聲信號分別經(jīng)過與各路麥克風(fēng)對應(yīng)相連的調(diào)理電路的放大、濾波操作后，分別進(jìn)入與調(diào)理電路相連的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，一旦超過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路預(yù)先設(shè)定的觸發(fā)閾值，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路便輸出持續(xù)時間為300ms的+5V窗口電平信號給與之相連的與門電路；
[0023]3)8路因雷聲信號觸發(fā)產(chǎn)生的300ms的+5V窗口電平和因雷電電場信號觸發(fā)產(chǎn)生的持續(xù)時間t的+5V窗口電平分別經(jīng)過一路與門電路之后，進(jìn)入中央處理模塊，中央處理模塊一旦檢測到與8路與門電路相連的輸入端有上升沿信號產(chǎn)生，便分別記錄下8路窗口電平上升沿時刻的GPS打碼時間；
[0024]4)基于8路GPS打碼時間，中央處理模塊通過寫入的雷電方位分析算法，自動計算出該次雷電發(fā)生的起止時間與方位，并以一定數(shù)據(jù)格式保存到所述通信記錄單元的存儲模塊中。
[0025]按上述方案，所述的t的取值范圍根據(jù)氣象臺站間的距離或者組網(wǎng)方案確定:將氣象臺站或者其他組網(wǎng)方案中雷暴日自動記錄裝置間的架設(shè)距離除以聲音的傳播速度，即可得到t的取值，其中，聲音的傳播速度取340m/s。
[0026]按上述方案，所述GPS打碼時間，是在中央處理模塊分別接收到8路上升沿信號的同時，按上升沿信號進(jìn)入中央處理模塊的先后順序輸出觸發(fā)信號給GPS時間模塊，GPS時間模塊給出此刻的精確GPS時間，格式為=130808092955.154376541，代表13年8月8日9時29分55秒，精確至Ij 10Λ。
[0027]按上述方案，所述雷電方位分析算法如下:首先，將8路GPS打碼時間做比較，得到最早的一路GPS打碼時間，該打碼時間即為雷電的起始發(fā)生時間；然后，找到該路GPS打碼時間所對應(yīng)的是8路麥克風(fēng)中哪一路輸入的，按照雷暴日自動記錄裝置架設(shè)時約定的麥克風(fēng)指向，得到該次雷電的方位。
[0028]本發(fā)明的有益效果:
[0029]1、一種應(yīng)用于氣象臺站的雷暴日自動記錄裝置結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、成本低廉，采用3G無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，利用太陽能自供電，可方便地架設(shè)于需要獲得雷暴日數(shù)據(jù)的氣象臺站進(jìn)行長期連續(xù)觀測；
[0030]2、利用雷電發(fā)生時伴隨的電場信號和雷聲信號作為判定標(biāo)準(zhǔn)，兩種信號同時出現(xiàn)時才進(jìn)行記錄，提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；
[0031]3、分布在各氣象臺站的雷暴日自動記錄裝置進(jìn)行組網(wǎng)觀測，可實現(xiàn)某一區(qū)域的年雷暴日參數(shù)統(tǒng)計；
[0032]4、因電場信號觸發(fā)的+5V窗口電平持續(xù)時間t可根據(jù)組網(wǎng)方案靈活設(shè)定，可有效提高區(qū)域覆蓋率和避免數(shù)據(jù)重復(fù)率。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0033]圖1是本發(fā)明雷暴日自動記錄裝置的外觀結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖2是本發(fā)明雷暴日自動記錄裝置的原理方框圖；
[0035]圖3是本發(fā)明應(yīng)用于氣象臺站的雷暴日自動記錄系統(tǒng)的總體架構(gòu)圖；
[0036]圖4是本發(fā)明雷暴日自動記錄方法的工作流程圖；
[0037]圖5為本發(fā)明雷聲信號觸發(fā)起始時刻判定原理圖；
[0038]圖6為本發(fā)明雷電方位判定原理圖。【具體實施方式】
[0039]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步詳細(xì)的說明。
[0040]參見圖1~圖2，本發(fā)明所述的雷暴日自動記錄裝置I包括:電場平板天線1.1、麥克風(fēng)陣列1.2、太陽能電池板1.3,GPS天線1.4、終端1.5和支架1.6，所述電場平板天線1.1、麥克風(fēng)陣列1.2、太陽能電池板1.3、GPS天線1.4、終端1.5均安裝在支架1.6上；所述電場平板天線1.1用于探測雷電發(fā)生時的電場信號，所述麥克風(fēng)陣列1.2由8個頻段均為15Hz~20kHz的精密麥克風(fēng)組成，1-8#麥克風(fēng)對稱平均分布(兩兩夾角為45° )在繞支架1.6半徑0.5m的平面圓形陣列遠(yuǎn)端部，所述終端1.5包括調(diào)理電路1.5.1、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路1.5.2、與門電路1.5.3、電源控制器模塊1.5.4、蓄電池1.5.5和通信記錄單元1.5.6，所述調(diào)理電路1.5.1由放大器和濾波器組成，所述通信記錄單元1.5.6由GPS時間模塊1.5.7、中央處理模塊1.5.8、3G通信模塊1.5.9和存儲模塊1.5.10組成，所述電場平板天線1.1經(jīng)過調(diào)理電路1.5.1、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路1.5.2與各個與門電路1.5.3的一個輸入端連接，所述各個麥克風(fēng)陣列1.2分別經(jīng)過調(diào)理電路1.5.1、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路1.5.2與對應(yīng)一路與門電路1.5.3的另一個輸入端連接(調(diào)理電路1.5.1的輸出端與單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路1.5.2的輸出端連接，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路1.5.2的輸出端與與門電路1.5.3的輸入端連接)，各個與門電路1.5.3的輸出端均連接到中央處理模塊1.5.8，所述GPS天線1.4通過GPS時間模塊1.5.7與中央處理模塊1.5.8連接，所述太陽能電池板1.3和蓄電池1.5.5分別通過電源控制器模塊1.5.4與中央處理模塊1.5.8連接(所述太陽能電池板1.3接收的太陽光能轉(zhuǎn)化為電能后經(jīng)所述電源控制器模塊1.5.4給蓄電池1.5.5充電，該電源控制器模塊1.5.4控制蓄電池1.5.5的輸出電壓并防止過充過放，通過中央處理模塊1.5.8為雷暴日自動記錄裝置I提供工作電源)，所述3G通信模塊1.5.9和存儲模塊1.5.10分別與中央處理模塊1.5.8連接。
[0041]參照圖3，本發(fā) 明所述的應(yīng)用于氣象臺站的雷電日自動記錄系統(tǒng)，包括一臺或多臺雷暴日自動記錄裝置I和一個遠(yuǎn)程服務(wù)器2，所述雷暴日自動記錄裝置I根據(jù)組網(wǎng)方案在各個氣象臺站的觀測點選擇合適的位置架設(shè)架設(shè)時，各個雷暴日自動記錄裝置的1#麥克風(fēng)指向正北，并分別給各個雷暴日自動記錄裝置I設(shè)定唯一的識別碼1，2，3，…，η ;所述雷暴日自動記錄裝置I通過3G通信模塊1.5.9與3G網(wǎng)絡(luò)4通信，同時，所述遠(yuǎn)程服務(wù)器2通過INTERNET網(wǎng)絡(luò)3連接到3G網(wǎng)絡(luò)4、用于接收當(dāng)前各個雷暴日自動記錄裝置I上傳的雷暴數(shù)據(jù)及工作狀態(tài)、并調(diào)用及查看保存在所述雷暴日自動記錄裝置I中的歷史數(shù)據(jù)3G通信模塊
1.5.9與3G網(wǎng)絡(luò)4通信、用于將雷暴日自動記錄裝置I的雷電數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)程服務(wù)器2，最終通過統(tǒng)計程序，得到該次雷暴過程的起止時間和開始、終止方向；通過所述遠(yuǎn)程服務(wù)器2長期積累的雷暴日數(shù)據(jù)，得到某一區(qū)域的年雷暴日等參數(shù)。
[0042]所述的t的取值范圍根據(jù)氣象臺站間的距離或者組網(wǎng)方案確定:將氣象臺站或者其他組網(wǎng)方案中雷暴日自動記錄裝置間的架設(shè)距離除以聲音的傳播速度，即可得到t的取值，其中，聲音的傳播速度取340m/s。
[0043]參照圖4所示，本發(fā)明雷暴日自動記錄系統(tǒng)進(jìn)行自動記錄方法的工作流程圖:
[0044]I)當(dāng)有雷電發(fā)生時，電場平板天線1.1接收到雷電過程發(fā)生時產(chǎn)生的電場信號，電場信號經(jīng)過與電場平板天線1.1相連的調(diào)理電路1.5.1的放大、濾波操作后，進(jìn)入與調(diào)理電路1.5.1相連的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路1.5.2，一旦超過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路1.5.2預(yù)先設(shè)定的觸發(fā)閾值，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路1.5.2便輸出持續(xù)時間t的+5V窗口電平信號給與之相連的與門電路 1.5.3 ;
[0045]2)在雷電電場信號接收到之后，麥克風(fēng)陣列1.2的8路精密麥克風(fēng)也接收到雷聲信號，雷聲信號分別經(jīng)過與各路麥克風(fēng)對應(yīng)相連的調(diào)理電路1.5.1的放大、濾波操作后，分別進(jìn)入與調(diào)理電路1.5.1相連的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路1.5.2，一旦超過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路1.5.2預(yù)先設(shè)定的觸發(fā)閾值，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路1.5.2便輸出持續(xù)時間為300ms的+5V窗口電平信號給與之相連的與門電路1.5.3 ;
[0046]3) 8路因雷聲信號觸發(fā)產(chǎn)生的300ms的+5V窗口電平和因雷電電場信號觸發(fā)產(chǎn)生的持續(xù)時間t的+5V窗口電平分別經(jīng)過一路與門電路1.5.3之后，進(jìn)入中央處理模塊1.5.8，中央處理模塊1.5.8 一旦檢測到與8路與門電路1.5.3相連的輸入端有上升沿信號產(chǎn)生，便分別記錄下8路窗口電平上升沿時刻的GPS打碼時間；
[0047]4)基于8路GPS打碼時間，中央處理模塊1.5.8通過寫入的雷電方位分析算法，自動計算出該次雷電發(fā)生的起止時間與方位，并以一定數(shù)據(jù)格式保存到所述通信記錄單元1.5.6的存儲模塊1.5.10中。
[0048]所述GPS打碼時間，是在中央處理模塊1.5.8分別接收到8路上升沿信號的同時，按上升沿信號進(jìn)入中央處理模塊1.5.8的先后順序輸出觸發(fā)信號給GPS時間模塊1.5.7，GPS時間模塊1.5.7給出此刻的精確GPS時間，格式為=130808092955.154376541，代表13年8月8日9時29分55秒，精確到10_9s。
[0049]所述雷電方 位分析算法如下:首先，將8路GPS打碼時間做比較，得到最早的一路GPS打碼時間，該打碼時間即為雷電的起始發(fā)生時間；然后，找到該路GPS打碼時間所對應(yīng)的是8路麥克風(fēng)中哪一路輸入的，按照雷暴日自動記錄裝置I架設(shè)時約定的麥克風(fēng)指向，得到該次雷電的方位。
[0050]圖5為本發(fā)明雷聲信號觸發(fā)起始時刻判定原理圖，作為原理介紹，以1#麥克風(fēng)信號和2#麥克風(fēng)信號為例，1#麥克風(fēng)接收到的雷聲信號經(jīng)過放大與濾波等操作之后，進(jìn)入到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路1.5.2，經(jīng)處理后的第I路雷聲信號4.1的幅值一旦超過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路
1.5.2中預(yù)先設(shè)置的觸發(fā)閾值電壓，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路1.5.2便輸出持續(xù)300ms且+5V的窗口電平信號4.3，觸發(fā)時刻記為t1;2#麥克風(fēng)接收到的雷聲信號經(jīng)過放大與濾波等操作之后，進(jìn)入到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路1.5.2，經(jīng)處理后的第2路雷聲信號4.2的幅值一旦超過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路1.5.2中預(yù)先設(shè)置的觸發(fā)閾值電壓，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路1.5.2便輸出持續(xù)300ms且+5V的窗口電平信號4.4，觸發(fā)時刻記為t2，這里的^士代表不同的觸發(fā)時刻，不代表具體的觸發(fā)時間，其余6路麥克風(fēng)(6-8#麥克風(fēng))接收到的雷聲信號觸發(fā)起始時刻的獲取方法類似。
[0051]圖6為本發(fā)明雷電方位判定原理圖，該圖體現(xiàn)了實際麥克風(fēng)陣列的排布方式，1-8#麥克風(fēng)平均分布(兩兩夾角為45° )在繞支架1.5半徑為0.5m的平面圓形陣列的遠(yuǎn)端部，按順時針排列，1#麥克風(fēng)位于正對北向、2#麥克風(fēng)正對東北向、3#麥克風(fēng)正對東向、4#麥克風(fēng)正對東南向、5#麥克風(fēng)正對南向、6#麥克風(fēng)正對西南向、7#麥克風(fēng)正對西向、8#麥克風(fēng)正對西北向；來自某個方位的雷電，由于到達(dá)8個麥克風(fēng)的距離是不同的，而在直徑I米的距離內(nèi)，可以認(rèn)為雷聲的速度是一定的，那么雷聲到達(dá)每個麥克風(fēng)的時間就不同，而且一定是距離雷電發(fā)生方位更近的那支麥克風(fēng)先收到雷聲信號，這樣，最先收到雷聲信號的那支麥克風(fēng)所指向的方位即為雷電方位，收到雷聲信號的時間即為雷電發(fā)生時間。
[0052]以1#麥克風(fēng)(圖中點d位置)和2#麥克風(fēng)(圖中點c位置)與支架1.6中心(圓心O)所夾的1/8圓區(qū)域(S卩Od與Oc這兩條射線所夾區(qū)域)的雷電方位判定情況為例:假設(shè)雷電發(fā)生于b點(Od與Oc這兩條射線的中線Oa線的右側(cè))，則雷電與1#麥克風(fēng)之間的距離為bd，雷電與2#麥克風(fēng)之間的距離為bc，dc為1#麥克風(fēng)與2#麥克風(fēng)之間的距離，Oa射線垂直平分dc于點O1,以點b做dc線的垂直線于點O2，則02d的長度大于O2C，根據(jù)勾股定理可知，bd的長度大于bc，可知，在中線Oa線右側(cè)的雷聲都將最先到達(dá)2#麥克風(fēng)，在中線Oa線左側(cè)的雷聲都將最先到達(dá)1#麥克風(fēng)，其他7個1/8圓區(qū)域情況類似。
[0053]有一類特殊的情況需要做特別的約定，這里以1#麥克風(fēng)和2#麥克風(fēng)的情況為例介紹:如果雷電的方位來自于Oa這條線及其延長線上，即Od與Oc這兩條線的中線上，這條線上的雷聲最先且同時到達(dá)1#麥克風(fēng)和2#麥克風(fēng)，這里約定1#麥克風(fēng)和2#麥克風(fēng)中線上的雷聲的方位歸于東北面，依然按照順時針設(shè)定，依次:2#麥克風(fēng)和3#麥克風(fēng)中線上的雷聲的方位歸于東面，3#麥克風(fēng)和4#麥克風(fēng)中線上的雷聲的方位歸于東南面，4#麥克風(fēng)和5#麥克風(fēng)中線上的雷聲的方位歸于南面，5#麥克風(fēng)和6#麥克風(fēng)中線上的雷聲的方位歸于西南面，6#麥克風(fēng)和7#麥克風(fēng)中線上的雷聲的方位歸于西面，7#麥克風(fēng)和8#麥克風(fēng)中線上的雷聲的方位歸于西北面，8#麥克風(fēng)和1#麥克風(fēng)中線上的雷聲的方位歸于北面。在這種情況下采用上述方位設(shè)定更方便判別雷電的方向而不引發(fā)混淆。
[0054]以上所述僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，本領(lǐng)域技術(shù)人員利用上述揭示的技術(shù)內(nèi)容做出些許簡單修改，等同變化或修飾，均落在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種應(yīng)用于氣象臺站的雷暴日自動記錄系統(tǒng)，其特征在于:包括一臺或多臺雷暴日自動記錄裝置和一個遠(yuǎn)程服務(wù)器， 所述雷暴日自動記錄裝置包括電場平板天線、麥克風(fēng)陣列、太陽能電池板、GPS天線、終端和支架，所述電場平板天線、麥克風(fēng)陣列、太陽能電池板、GPS天線、終端均安裝在支架上；所述電場平板天線用于探測雷電發(fā)生時的電場信號，所述麥克風(fēng)陣列由若干個對稱平均分布在繞所述支架一定距離的平面圓形陣列上的麥克風(fēng)組成；所述終端包括調(diào)理電路、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路、與門電路、電源控制器模塊、蓄電池和通信記錄單元，所述調(diào)理電路由放大器和濾波器組成，所述通信記錄單元由GPS時間模塊、中央處理模塊、3G通信模塊和存儲模塊組成，所述電場平板天線經(jīng)過調(diào)理電路、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路與各個與門電路的一個輸入端連接，所述各個麥克風(fēng)陣列分別經(jīng)過調(diào)理電路、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路與對應(yīng)一路與門電路的另一個輸入端連接，各個與門電路的輸出端均連接到中央處理模塊，所述GPS天線通過GPS時間模塊與中央處理模塊連接，所述太陽能電池板和蓄電池分別通過電源控制器模塊與中央處理模塊連接，所述3G通信模塊和存儲模塊分別與中央處理模塊連接； 所述雷暴日自動記錄裝置通過3G通信模塊與3G網(wǎng)絡(luò)通信，同時，所述遠(yuǎn)程服務(wù)器通過INTERNET網(wǎng)絡(luò)連接到3G網(wǎng)絡(luò)，用于接收當(dāng)前各個雷暴日自動記錄裝置上傳的雷暴數(shù)據(jù)、并調(diào)用及查看保存在所述雷暴日自動記錄裝置中的歷史數(shù)據(jù)。
2.如權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于氣象臺站的雷暴日自動記錄系統(tǒng)，其特征在于:所述雷暴日自動記錄裝置根據(jù)組網(wǎng)方案架設(shè)于各個氣象臺站的觀測點，且各個雷暴日自動記錄裝置均設(shè)定唯一的識別碼。
3.如權(quán)利要求1所述的應(yīng)用于氣象臺站的雷暴日自動記錄系統(tǒng)，其特征在于:所述麥克風(fēng)陣列由8個頻段均為15Hz~20kHz的麥克風(fēng)組成，1-8#麥克風(fēng)對稱平均分布在繞所述支架半徑0.5m的平面圓形陣列遠(yuǎn)端部。
4.如權(quán)利要求3所述的應(yīng)用于氣象臺站的雷暴日自動記錄系統(tǒng)，其特征在于:所述1-8#麥克風(fēng)按順時針排列，1#麥克風(fēng)位于正對北向、2#麥克風(fēng)正對東北向、3#麥克風(fēng)正對東向、4#麥克風(fēng)正對東南向、5#麥克風(fēng)正對南向、6#麥克風(fēng)正對西南向、7#麥克風(fēng)正對西向、8#麥克風(fēng)正對西北向。
5.一種利用上述權(quán)利要求1~4任意之一所述雷暴日自動記錄系統(tǒng)進(jìn)行雷暴日自動記錄的方法，其特征在于:該方法包括以下步驟: O當(dāng)有雷電發(fā)生時，電場平板天線接收到雷電過程發(fā)生時產(chǎn)生的電場信號，電場信號經(jīng)過與電場平板天線相連的調(diào)理電路的放大、濾波操作后，進(jìn)入與調(diào)理電路相連的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，一旦超過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路預(yù)先設(shè)定的觸發(fā)閾值，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路便輸出持續(xù)時間t的+5V窗口電平信號給與之相連的與門電路； 2)在雷電電場信號接收到之后，麥克風(fēng)陣列的8路精密麥克風(fēng)也接收到雷聲信號，雷聲信號分別經(jīng)過與各路麥克風(fēng)對應(yīng)相連的調(diào)理電路的放大、濾波操作后，分別進(jìn)入與調(diào)理電路相連的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路，一旦超過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路預(yù)先設(shè)定的觸發(fā)閾值，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路便輸出持續(xù)時間為300ms的+5V窗口電平信號給與之相連的與門電路； 3)8路因雷聲信號觸發(fā)產(chǎn)生的300ms的+5V窗口電平和因雷電電場信號觸發(fā)產(chǎn)生的持續(xù)時間t的+5V窗口電平分別經(jīng)過一路與門電路之后，進(jìn)入中央處理模塊，中央處理模塊一旦檢測到與8路與門電路相連的輸入端有上升沿信號產(chǎn)生，便分別記錄下8路窗口電平上升沿時刻的GPS打碼時間； 4)基于8路GPS打碼時間，中央處理模塊通過寫入的雷電方位分析算法，自動計算出該次雷電發(fā)生的起止時間與方位，并以一定數(shù)據(jù)格式保存到所述通信記錄單元的存儲模塊中。
6.如權(quán)利要求5所述的雷暴日自動記錄方法，其特征在于:所述的t的取值范圍根據(jù)氣象臺站間的距離或者組網(wǎng)方案確定:將氣象臺站或者其他組網(wǎng)方案中雷暴日自動記錄裝置間的架設(shè)距離除以聲音的傳播速度，即可得到t的取值，其中，聲音的傳播速度取340m/s
7.如權(quán)利要求5所述的雷暴日自動記錄方法，其特征在于:所述GPS打碼時間，是在中央處理模塊分別接收到8路上升沿信號的同時，按上升沿信號進(jìn)入中央處理模塊的先后順序輸出觸發(fā)信號給GPS時間模塊，GPS時間模塊給出此刻的精確GPS時間，格式為:130808092955.154376541，代表 13 年 8 月 8 日 9 時 29 分 55 秒，精確到 1θΛ。
8.如權(quán)利要求5所述的雷暴日自動記錄方法，其特征在于:所述雷電方位分析算法如下:首先，將8路GPS打碼時間做比較，得到最早的一路GPS打碼時間，該打碼時間即為雷電的起始發(fā)生時間；然后，找到該路GPS打碼時間所對應(yīng)的是8路麥克風(fēng)中哪一路輸入的，按照雷暴日自動記錄裝置架設(shè)時約定的麥克風(fēng)指向，得到該次雷電的方位。
【文檔編號】G01W1/16GK103713338SQ201310752867
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2013年12月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月31日
【發(fā)明者】嚴(yán)碧武, 谷山強(qiáng), 馮萬興, 方玉河, 章涵, 向念文, 李濤, 許遠(yuǎn)根 申請人:國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司