专利名称：宽带干涉仪三维闪电辐射源定位系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及用于气象分析的设备，具体涉及一种用干涉法对闪电辐射源三维
定位的系统。
背景技术：
闪电的击穿过程会产生一系列宽频带的电磁辐射，如果认为每次辐射脉冲对应闪
电通道中的一个辐射源，那么通过对辐射脉冲的连续定位就可以得到闪电通道的发展过
程。利用接收闪电击穿过程产生的甚高频段(VHF)电磁辐射，进行闪电辐射源的定位是当
前闪电探测、闪电物理研究中的一个重要手段。从原理上分，VHF辐射源定位方法主要有
VHF辐射源时差定位法和VHF辐射源干涉定位法两种。时差定位法适合于定位孤立的短脉
冲电磁辐射源，而干涉定位法对于连续的电磁辐射信号也具有较好的定位能力。 干涉定位法是利用闪电磁辐射信号到达多个天线间的相位差对辐射源进行定位
的。单个站点的闪电干涉仪通过由四个不在同一直线上的天线构成的三条短基线，可以提
供辐射源相对于本站的方位角和仰角。在早期的技术中由于接收机带宽的限制，最早的窄
带宽干涉定位法中，电磁辐射信号在通过滤波器时仅能接收某一特定频率范围的窄带电磁
辐射信号，随着高速大容量数字化记录设备技术上的突破，采样频率和记录时间长度已允
许对闪电磁辐射在较宽频段内进行时域观测，1996年Shao X. M.首次提出了宽带干涉仪的
模型，之后Ushio[1997年]、董万胜[2000年]在此基础上各自研制了用于二维定位闪电宽
带干涉仪系统。 闪电宽带干涉仪系统以很高的采样频率直接采样来自天线的宽带电磁辐射信号， 然后对这些信号作出快速付里叶变换后，可得到一系列不同频率的窄带信号，这样就相当 于具有多个不同长度基线的窄带干涉仪系统。这将使得宽带干涉系统定位频率的选择更加 灵活，系统结构变得简单紧凑，在对闪电电磁辐射源进行定位的同时还能够得到宽带频谱 信息，因而成为闪电探测和研究的重要工具。 然而，目前的宽带干涉仪系统主要还停留在单站的二维(方位角、仰角)观测上， 不能给出闪电的三维空间信息，这使得人们对闪电放电特征的了解带有很大的不便和不确 定性，限制了宽带系统优势的发挥。日本的Manabu AKITA(2007ICAE)曾报道了他们集成的 三维观测系统，该系统可同时采集干涉仪天线与慢电场变化天线信息。但是由于其采集方 式的原因，两者并没有做到完全的同步，使得对于闪电放电的物理过程不能够确定；同时， 由于其定位算法比较粗糙，三维定位结果也不理想。

实用新型内容本实用新型的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种用干涉法对闪电辐射源 三维定位的系统，它能够以微秒级的时间分辨率揭示闪电辐射源的三维空间演变特征，实 现了多个站点间对闪电过程的同步观测，站点内宽带干涉仪记录的信息与快、慢电场变化 记录的信息完全同步，并能够提供闪电放电的高频(30MHz 300MHz)频谱信息，从而为了解闪电放电过程提供了更加直观的手段。 为实现上述目的，本实用新型的技术方案是采用一种用干涉法对闪电辐射源三维 定位的系统，包括 宽带干涉信号采集模块，用于测量闪电辐射源的方位角和仰角，该模块的输入端 与宽带干涉仪天线连接，该模块的输出的数据通过GPIB总线传输到控制计算机模块，进行 必要的数据预处理； 快、慢天线信号采集模块，用于从不同时间尺度探测闪电引起地面电场变化的大 小和极性，该模块的输入端分别与快、慢天线连接，该模块的输出端连接到信号采集卡，采 集卡安装在控制计算机模块的PCI总线插槽； GPS时钟模块，用于向系统提供精确的时间基准，该模块的输入端与GPS天线连
接，该模块将时间基准信号分别发送到宽带干涉信号采集模块和计算机模块； 计算机模块，用于控制所述宽带干涉信号采集模块、快、慢天线信号采集模块、时
钟模块的协调工作，所述计算机内设有采集数据控制软件，在所述计算机内还设有用于计 算至少两个站点采集数据交汇坐标的三位定位处理软件； 所述宽带干涉信号采集模块，快、慢天线信号采集模块，时钟模块分别被设置在至
少两个观测站点，所述站点之间的计算机通过网络建立连接，实现数据传输。 其中，在所述宽带干涉信号采集模块中包括用于接收闪电高频辐射信号的4只宽
带干涉仪天线，所述宽带干涉仪天线通过同轴电缆与高通滤波器连接，所述高通滤波器与
四通道高速数字采集模块连接。 其中，所述宽带干涉仪天线为平板天线，所述宽带干涉仪天线的响应频带为0 300MHz。 其中，所述高通滤波器的截止频率为25MHz。 其中，在所述快、慢天线信号采集模块中快天线的时间常数为2ms，频率响应范围 lkHz 5MHz，慢天线的时间常数为6s，频率响应范围10Hz 2MHz，输出电压的动态范围均 为士10V。 其中，在所述时钟模块中设有高稳晶振，在所述时钟模块中还设有1路触发输入 口和打标输出串口 ；所述时钟模块可向采集模块提供10MHz的正弦波信号，以及对计算机 的粗略校时信号。 本实用新型的优点和有益效果在于由于本实用新型提供了一种用干涉法对闪电 辐射源三维定位的系统，通过测量闪电辐射信号到达不同天线的相位差，利用计算机软件 计算出闪电辐射到达站点的方位角和仰角，再利用不同站点得到闪电辐射源之间的方位角 和仰角，交汇计算得到汇集点，就能够真正的实现闪电辐射源的三维定位。该系统能够描绘 云闪和地闪通道发展的详细三维结构，可用于区域闪电监测和预警。同时，该系统能够同步 得到闪电通道发展的宽带频谱以及快、慢电场变化信息，结合三维定位计算结果，可以为闪 电放电过程的物理机制的探讨、雷电物理的研究提供丰富的资料。

图1是本实用新型中闪电辐射源三位定位模型图； 图2是本实用新型闪电辐射源三维定位系统结构框图；[0021] 图3是本实用新型中示波器分段采样模式图； 图4a是本实用新型示波器采样软件流程图； 图4b是本实用新型中时钟串口通讯流程图； 图5是本实用新型中双站交汇算法数学模型图； 图6是本实用新型中辐射点匹配算法数学模型图； 图7是本实用新型中两站点布设模型图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式
作进一步描述。以下实施 例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范 围。 如附图1至图7所示，本实用新型具体实施的技术方案是 —种用干涉法对闪电辐射源三维定位的系统，该系统包括高频宽带相干信号采 集模块4，用于测量闪电辐射源的方位角和仰角，该模块通过高频宽带干涉仪天线4-1接收 闪电辐射电磁信号，该模块的信号输入端为宽带干涉仪天线4-1，该模块将接收到的闪电辐 射电磁信号经处理后由输出端传送到计算机5，即该模块的输出端与信号接收端连接。该系 统还包括快、慢天线信号采集模块6，该模块通过快6-1 、慢6-2天线可探测闪电引起地面电 场变化，该模块的输入信号分别为快6-l、慢天线6-2接收到的探测信号，该模块将接收到 的信号经处理后经信号采集卡PCI，将快6-1 、慢天线6-2接收到的探测信号传输到计算机5 的信号接收端连接。该系统还包括时钟模块7，该时钟模块用于向系统中的其它模块和计算 机提供精确的时间基准，在该时钟模块7中设有时钟天线7-l，该时钟模块7可将时间基准 信号通过该模块的输出端，分别发送到宽带干涉信号采集模块4和计算机5。计算机5，用 于控制所述宽带干涉信号采集模块4、快、慢天线信号采集模块6、时钟模块7的协调工作， 在所述计算机5内安装有对各种采集数据进行控制的软件，在所述计算机5内还装有用于 计算至少两个站点所采集的闪电辐射数据交汇坐标的三位定位处理软件。将由所述宽带干 涉信号采集模块4，快、慢天线信号采集模块5，时钟模块7以及控制计算机模块5构成的闪 电辐射源三维定位系统(宽带干涉仪)分别安装在至少两个站点中，所述站点之间的计算 机5通过网络建立连接。 在本实施例中，在所述宽带干涉信号采集模块4中包括用于接收闪电高频辐射信 号的4根宽带干涉仪天线4-1 ，所述宽带干涉仪天线4-1通过同轴电缆与高通滤波器4-2连 接，所述高通滤波器4-2与四通道高速数字存储示波器4-3连接。 在本实施例中，所述宽带干涉仪天线4-l为平板天线，所述宽带干涉仪天线4-l的 响应频带为0 300MHz。 在本实施例中，所述高通滤波器4-2的截止频率为25MHz 。 在本实施例中，在所述快、慢天线信号采集模块6中快天线6-l的时间常数为2ms， 频率响应范围lkHz 5MHz，慢天线6-2的时间常数为6s，频率响应范围10Hz 2MHz，输出 电压的动态范围均为士10V。 在本实施例中，在所述时钟模块7中设有高稳晶振，在所述时钟模块中还设有1路 触发输入口和打标输出串口 ；所述时钟模块7可向示波器4-3提供10MHz正弦波稳定输出信号参考频率，以及对计算机5的粗略校时信号。 在本实施例中，所述三维闪电辐射源定位构架是基于现有的宽带干涉仪系统能够
提供辐射源的方位角、仰角信息。本实用新型是通过对多个分布的站点同步观测，对于每一
个辐射源，各个站点都可提供一组方位角、仰角，由多个站点在空间的交汇点即可得到闪电
辐射源的三维空间位置，如图1。为实现三维定位，至少需要设置2个站点。 然而，闪电是一种瞬间的自然现象，在一次闪电中不同频率辐射源之间的间隔很
短，可以达到几个微秒。为了使多个站点的数据能够指向同一个辐射源，需要每个观测点的
检测程序高精度的同步；同时，为了从各组角度中解算出辐射源的空间坐标，需要设计有合
理的定位算法。 对单站系统的硬件集成和数据采集 单站系统是整个三维定位系统的最小单位。整个系统可分为4个模块宽带相干 信号采集模块4，快6-l、慢6-2电场变化天线(简称快、慢天线)采集模块6，时钟模块7和 计算机5控制端，系统的组成框图如图2所示。 宽带干涉信号采集模块4主要用于实现宽带闪电辐射信号的记录，其工作方式和 以往的干涉仪系统相似。4个宽带干涉仪天线4-l，响应频带0 300MHz。天线沿用平板 天线，用于接收闪电的高频辐射信号。利用4根完全相同的同轴电缆通过低端截止频率为 25MHz高通滤波器4-2与一台四通道高速数字存储示波器4-3相连。所述示波器4_3采用 独特的"限定触发方式(Qualify trigger mode)"以减少误触发当外部触发后在限定时 间内和内部触发条件同时满足时示波器4-3开始记录第一段闪电辐射信号，而后段的触发 仅由内部触发条件决定。 快、慢天线信号采集模块6用于同步记录电场变化曲线。快6-l、慢6-2天线(电场 变化仪)可从不同的时间尺度探测闪电引起地面电场变化的大小和极性，时间常数分别为 2ms和6s，频率响应范围分别为lkHz 5MHz和10Hz 2MHz，输出动态范围均为士10V。快 慢天线信号通过与计算机连接的数据采集卡PCI 5-l，采集快、慢天线接收到的探测信号。 时钟模块7用于向系统提供精确的时间基准。在本实施例中，采用HJ5432B时钟 高稳晶振，该模块可提供1路触发输入口和打标输出串口 。打标输出串口能够给触发输入 口的上升沿(TTL电平)发生时的高精度时间戳信息，精度30ns(RMS)。另外，输出lOMHz正 弦波的稳定输出信号向示波器提4-3供参考频率，以及对计算机5的粗略校时信号。 为实现整个系统的协同工作，需要设计合理的控制程序和触发流程。在图2中，实 线为数据流，虚线表示触发流。其中，快6-l天线的一路信号接入示波器4-3的辅助输入端 (AUX IN)作为外触发输入，而宽带干涉仪天线4-l的信号则被作为内触发，这样，当满足示 波器4-3的"限定触发"条件时，作为示波器4-3触发开始记录第一段闪电辐射信号，同时 示波器4-3的辅助输出端(AUX OUT)输出标准触发信号，同时触发计算机上的PCI采集卡
5- 1和时钟模块7，计算机上的PCI采集卡5-1检测到外部触发后开始记录，而时钟模块7 则产生这一触发信号的高精度时间戳信息7-2，通过串口由计算机5采集。 这一过程由计算机5控制运行。通过计算机5控制端的数据采集软件控制示波器 4-3、采集卡PCI5-1和时钟模块7的协调工作，实现单个站点内干涉仪天线4-l、快6-l、慢
6- 2天线信号的同步采集和实时显示，并将采集信号存至硬盘。计算机5内采集数据控制软 件的主要流程如图4。其中采集卡和示波器的采集流程相似，如图4(a)表示，而时钟串口通信的软件控制流程如图4(b)。 由图2所示的触发信号由时钟模块上产生触发信号输入后，时钟模块立即产生对 应的时间标签信息输出至C0M1，这时将产生一个串口回调事件，计算机5通过读串口将时 间戳写入线程安全变量。当采集设备将数据采入其内部存储器后，查询线程安全变量，将得 到的时间信息作为本次闪电数据的文件名。由于美国力科示波器4-3是设置在分段记录的 工作方式下，每一段的触发同时都会在辅助输出端(AUX OUT)产生一个触发脉冲，因为在一 次闪电过程中会产生很多触发脉冲，这时可以控制采集程序在一次闪电过程中仅允许第一 次回调产生时间标签，而软屏蔽其它脉冲。 三维闪电辐射源的定位算法 在本实用新型中，当多个站点采集到同步的观测信号之后，在每个单站上利用原 宽带干涉仪的求解算法，就可以得到各自的一组辐射源的方位角、仰角时间序列。由于各站 所位于的地理环境、与闪电辐射源的距离均不相同，因此，各站点到辐射源的距离、方位角 各不相同。这就需要设计合理的数据匹配算法寻找各站相互对应的辐射点，然后再通过三 维定位算法求解辐射源的三维坐标。在实际操作中，需要两者的相互配合，以找到最佳的辐 射源位置。最后，为了保证定位质量，需要对定位结果的合理性作出估计。 下面结合一次夏季的野外试验过程详细说明本实用新型的工作情况 1、站点的布设 按照三维定位的最小要求，布设两个站点A、B。如图7所示，两测量站点之间相距 8. 15km，海拔高度分别为37m和74m。在每个站点中各布设4个宽带干涉仪天线，位于正方 形的四个顶点，按照顺时针由l-4编号，短基线长度分别为10m和15m。 l-4天线的基线均 指向正北。另外，每个站点各有一套快6-l、慢6-2电场变化仪，用于同步观测本站点的电场 变化。 2、采集参数设置 示波器4-3采用美国力科7100A。示波器4_3的带宽为lGHz，分辨率8bit，输入 阻抗选择50Q，每通道内置8M的存储空间，采样率设置为lGS/s。为有效利用存储空间，采 用示波器提供的"分段采集"的采样模式，如图3所示，仅当信号满足给定阈值时才会触发 一段记录。预置4000段，每段2K个采样点，每段保留20X的预触发，段间"死时间(dead time)"在1微秒内。设置相邻两段间最大间隔为300ms，超时则令该次闪电的辐射源记录 结束。 采集卡5-1采用外触发模式，两个通道分别采集快6-1 、慢6-2电场变化天线，采样 率预设为lMS/s，一次采样时间ls，预触发20%。 其它仪器连接参照附图2。打开各仪器电源，之后，依次点击采集软件"开采集卡"、 "开示波器"、"开C0M"，取得连接。待各自指示灯变绿之后，点击"开始采集"，系统进入自动 采集阶段。此外，可以通过改变面板中的各种参数调节采集设备的采集参数，并可以选择手 动记录和自动记录的工作方式。采集结束后，点击"停止采集"停止采集过程，点"退出"退 出采集系统。 3、双站三维定位 下面以该双站系统为例，分析双站辐射源的交汇和匹配算法。 1)、双站交汇算法[0057] 假设由两个站A、 B采集的数据分别计算得到了相对于本站的一组方位角和仰角， 需要设计合理的算法求解辐射源的三维坐标，以尽可能的减小定位误差。本实用新型借鉴 双经纬仪基线测风算法(现有已知技术)求解辐射源的三维坐标，现将算法原理简述如 下 如图5所示，建立坐标系，取站A为坐标原点，AB在水平面上的投影为y轴，两站的 方位角都以y轴的正向为O。，顺时针方向增大，x轴的正向指向90。 ，z轴垂直指向天顶。 AD、 BC分别为沿两站方位角、仰角的两条射线，CD是异面直线AD与BC的公垂线。则辐射 源最大可能位于CD上的某点P处，且P点在线段CD中的位置与AD、BC的长度有关，长度越 小，对应的可靠性越高，这样，根据图5，利用空间矢量关系，就可以得到P点的三维坐标。P 点就更接近这一端，因而满足
「 ， ￡>尸相 ——=—— PC 另外，由公垂线CD的长度，可以反映每次三维定位后的误差大小，这对于数据的
匹配和可靠性分析非常有意义。 2)、辐射点匹配算法 匹配算法主要依据时间信息，匹配后根据定位得到的位置和匹配点的时间差对匹 配的正确性进行判断，近距离的应该先发生，如果同一点有多个组合满足匹配条件，选取误 差较小的组合，匹配后，匹配线不能交叉。 如图6所示，t为时间轴，其上的各黑点表示各站点得到的辐射点在时间轴上的位 置。现在要寻找A站与B站的对应点。假设B站匹配到了序号为O的这一点，首先根据双 站允许的最大时间差△ t_max，设A站的0 4点都符合要求。这时，分别对这5个组合用 3. 1节所述方法得到辐射源的估计空间位置，再由辐射源到两个站的距离差和接收到的时 间差的关系反推匹配的正确性，若0 3均满足正确性条件，则选取误差最小的匹配0-0作 为最佳匹配。 另外，在匹配过程中，根据时间先后关系，匹配线不能交叉。如果得到了一组交叉 点匹配线，如图中虚线所示，由于A站的点3早于点4，B站的点2早于点3，所以如果认为A 站的点3和B站点3对应同一个辐射源，从时间先后关系看，A站的点2和B站的点4就不 可能匹配为一个辐射源。这时，需要根据两者的误差去掉其中一组。 3)、质量控制 为了使得到的辐射点位置可靠，还需要进一步的做质量控制。 由于系统具有高精度的时钟子系统，在每个辐射源记录时都会记录高精度的触发 时刻。若通过以上算法得到了双站对应的同一个辐射源的三维坐标，则该辐射源距离两个 站点的距离差也就确定，从而时间差也就很容易得到。由此得到的时间差和双站系统时钟 记录的各自辐射点的时间差比较，若相差太大，则认为此次定位不合理，从而应该剔除。 另外，根据前人对闪电通道的已有认识，辐射源的位置一般在零到十几千米以内， 如果零星辐射源的超出了这一区域，同样认为不合理予以剔除。 以上算法构成了三维定位处理程序，该程序能够自动完成闪电辐射源的三维定位 及显示。 本实施例的优点和在于，由于本实用新型提供了一种用干涉法对闪电辐射源三维
8定位的系统，通过多个站点的同步观测，能够真正的实现闪电辐射源的三维定位，该系统能 够描绘云闪和地闪通道发展的详细三维结构，可用于区域闪电监测和预警。同时，该系统能 够同步得到闪电通道发展的宽带频谱以及快、慢电场变化信息，结合三维定位结果，可以为 闪电放电过程的物理机制的探讨、雷电物理的研究提供丰富的资料。 以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技 术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改 进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
权利要求一种用干涉法对闪电辐射源三维定位的系统，其特征在于，包括宽带相干信号采集模块，用于测量闪电辐射源的方位角和仰角，VHF宽带天线连接直接连接到该模块的输入端；快、慢天线信号采集模块，用于捕获不同时间尺度探测闪电引起地面电场变化波形，该模块的输入端分别与快、慢天线连接；GPS时钟模块，用于向系统提供精确的时间基准，该模块的输入端与GPS天线连接，该模块将时间基准信号分别发送到宽带干涉信号采集模块和控制计算机模块；控制计算机模块，用于控制所述宽带相干信号采集模块、快、慢天线信号采集模块、时钟模块的协调工作，所述计算机内设有采集数据控制软件，在所述计算机内还设有用于计算至少两个站点采集数据交汇坐标的三位定位处理软件；所述由宽带相干信号采集模块，快、慢天线信号采集模块，时钟模块以及控制计算机模块构成的闪电辐射源三维定位系统宽带干涉仪分别被设置在至少两个观测站点，所述站点之间的计算机通过网络建立连接，实现数据实时传输。
2. 如权利要求1所述用干涉法对闪电辐射源三维定位的系统，其特征在于，在所述宽 带相干信号采集模块中包括用于接收闪电高频辐射信号的4个宽带干涉仪天线，所述宽带 干涉仪天线通过同轴电缆与高通滤波器连接，所述高通滤波器与四通道高速数据采集模块 相连接。
3. 如权利要求2所述用干涉法对闪电辐射源三维定位的系统，其特征在于，所述宽带 干涉仪天线为平板天线，所述宽带干涉仪天线的响应频带为0 300MHz。
4. 如权利要求2所述用干涉法对闪电辐射源三维定位的系统，其特征在于，所述高通 滤波器的截止频率为25MHz。
5. 如权利要求1所述用干涉法对闪电辐射源三维定位的系统，其特征在于，在所述快、 慢天线信号采集模块中，快天线的时间常数为2ms，频率响应范围lkHz 5MHz，慢天线的时 间常数为6s，频率响应范围10Hz 2MHz，输出电压的动态范围均为士10V。
6. 如权利要求1所述用干涉法对闪电辐射源三维定位的系统，其特征在于，在所述时 钟模块中设有高稳晶振，在所述时钟模块中还设有1路触发输入口和打标输出串口 ；所述 时钟模块可向高速数字采集模块提供10MHz正弦波稳定输出信号参考频率，以及对计算机 的粗略校时信号。
专利摘要本实用新型涉及一种闪电辐射源三维定位系统，该系统将宽带相干信号采集模块、快、慢天线信号采集模块、时钟模块和控制计算机模块构成的闪电辐射源三维定位系统分别安装在至少两个站点上；对于每个闪电辐射源，宽带相干信号采集模块将同时提供一组方位角、仰角信号，快、慢天线采集模块也将同步记录电场变化信号，时钟模块将同步给宽带相干信号采集模块和计算机提供精确的时间基准信号，上述信号也将同步传送给控制计算机模块；由各站点计算机内的软件控制程序控制各站点中的相应模块协调工作；各站点通过网络进行数据传输；由计算机中的三维定位处理软件，计算出各站点得到闪电辐射源方位角和仰角数据，交汇后得到辐射源的空间位置。
文档编号G01R29/08GK201548622SQ20092017291
公开日2010年8月11日 申请日期2009年8月12日 优先权日2009年8月12日
发明者刘恒毅, 张义军, 王涛, 董万胜, 邱实 申请人:中国气象科学研究院