专利名称：雷电预警装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及雷电探测技术领域，尤其涉及一种基于宽带干涉仪原理的雷电预
目衣且。
背景技术：
雷电灾害是严重的自然灾害之一，可引起森林和油库火灾，造成供电、通讯信息系统故障或损坏，对航空航天、矿山及一些重要而敏感的高技术装备造成重大威胁，也常常造成人员伤亡。由于雷击危害巨大、成灾迅速，且雷电发生的时间和空间具有很大的随机性， 从而给其研究、预报和防治带来了极大的困难。据保守估计，我国每年因雷害造成的人员伤亡上千人，直接经济损失超过数亿元，而由此造成的间接经济损失和影响难以估计，因此雷电灾害已波及到各行各业和人民生活的方方面面。特别是近年来，受全球气候变暖的大背景影响，强对流天气频繁发生，局地的、极端的天气事件发生的几率大大增加，因此随着国家经济与社会的发展，对闪电灾害预报和防御提出了更高、更广泛的要求。雷电往往产生于对流性天气过程中，当大气层内产生强烈对流，云体就会带电，这个过程被称之为雷云的起电过程，当云内或云地间的电场强度达到一定程度后就要发生放电。起电-放电过程伴随着整个雷暴发展过程，所以在雷云形成初期，以及雷云发展成熟阶段，放电过程均会产生很强且频段很宽的电磁辐射，这些电磁辐射也称为“天电”。雷电发生时会伴随产生声、光、电磁场等多种效应，这使得雷电的监测与预警成为可能，目前大多数雷电监测设备就是基于雷电产生的各种效应来探测闪电，实现对雷电活动的早期预警。事实上，在雷电产生前，雷云起电过程中，云内会形成很多小尺度的火花放电，会产生频率分布很宽(从几kHz到GHz)的电磁辐射噪声，利用这些电磁辐射可以尽早的预警雷电的发生。雷电监测预警系统(或装置)的应用非常广泛，主要存在有多站组网实现大范围雷电活动的监测和单站实现局地雷电活动的监测预警两种方式。多站组网方式的工作原理是通过探测雷电发生时所伴随产生的声、光、电磁场等多种效应，利用交叉环、到达时间差等定位技术，确定雷电发生的时间和地点，从而实现大范围雷电活动的监测预警。这类系统如空际的气象卫星、地基的闪电定位系统、基于干涉原理的SAFIR(Surveillance et d' Alerte Foudre par Interferometrie Radioelectrique)闪电探测系统等等。单站的探测设备同样也是利用雷电产生的声、光、电磁场等效应，确定是否会有雷电的发生，并利用多种方法估算雷电到探测站的距离，确定已发生雷电的发生时间和发生地点(方位)等，实现以探测站为中心周围区域雷电活动的探测预警。这类系统包括雷电探测仪，大气平均电场仪，雷电警报器、闪电干涉仪等等。闪电干涉定位法，是利用闪电磁辐射信号到达多个天线间的相位差，确定辐射源的方位。如单个站点的闪电干涉仪通过三个不在同一直线上的短天线构成的正交基线， 就可以确定辐射源相对于本站的方位角和仰角。在早期的窄带干涉定位法中，采用接收某一特定频率范围的窄带电磁辐射信号来实现，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测量，1996年 Shao X.M.首次提出了宽带干涉仪的模型，之后^hio于1997年、董万胜于2000年在此基础上各自研制了用于二维定位的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， 通过对这些信号进行快速傅里叶变换，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。由于强对流天气发生于中小尺度天气系统，具有空间尺度小，生命史短的特点，具有很强的局地性和突发性。目前虽有多种雷电探测系统可监测雷电活动，且这些雷电探测系统均利用雷电发生时产生的电磁场或光现象来探测定位雷电的发生，如气象卫星、闪电定位系统、SAHR闪电探测系统等。这些雷电监测系统适于大范围地域雷电活动的监测，而对某一局部地区的雷电活动监测预警则存在一定的局限性，故很难于做到局部地区雷电发生的提前预警或预报。目前也有多种用于局地雷电预警的装置，如单站的雷电探测仪、大气平均电场仪 (目前有很多装置虽然名称不同，但均基于此原理)、利用电晕放电原理的雷电警报器以及基于双频段雷电电磁辐射原理的简易型雷暴预警装置，或是利用这些装置的组合形成的产品等等，可说是名目、种类繁多。但作为局地雷电预警的装置，上述设备均有各自的局限性。 如单站的雷电探测仪，这是经典的雷电探测设备，利用交叉环技术确定的闪电发生的方位， 属于雷电发生后才能探测到雷电的设备，这种设备主要用于多站组网系统中，实现大范围雷电活动的监测。虽然它可以确定闪电发生的方位，但单站系统无法有效确定闪电发生的距离，尽管人们采用多种方法试图解决单站测距的问题，如利用信号的强弱、天波和地波到达时间差、电场和磁场的相位差、电磁(光)信号与声音(雷)到达时间差等等，但效果均不理想；大气平均电场仪(包括利用电晕电流原理的设备)虽然可以在雷电发生前就监测云内的电活动，但却受周围环境影响较大的局限，且监测范围小(IOkm左右)，探测到时雷电已经在附近了，预警作用有限；虽然基于双频段雷电电磁辐射原理的简易型雷暴预警装置探测距离较远，可以较早的预警闪电，且能较好的剔除干扰信号，但没有解决估算雷电距离的问题；闪电宽带干涉仪系统可以探测闪电发生前云内微弱放电活动，较早的预警雷电的发生，也可利用其宽频带的特征，非常有效地识别、排除非雷电辐射信号的干扰信号， 但依然没有很好的解决单站工作时距离估算这个难题。

实用新型内容(一)要解决的技术问题本实用新型要解决的技术问题是如何克服现有单站预警技术中由于距离估算误差较大、或监测范围较小、以及非雷电辐射信号干扰等原因导致预警效果不理想的缺点，实现局地区域雷电威胁的简单、实用、可靠的分等级预警。(二)技术方案为解决上述技术问题，本实用新型提供一种雷电预警装置，该装置包括垂直天线阵列，用于接收雷电辐射信号，包括两个相同的偶极子天线，所述两个天线分别安装在垂直于地面的支架上不同高度处的位置上；信号处理器，用于对所述垂直天线阵列所接收到的雷电辐射信号进行分析处理， 计算得到雷电源距离垂直天线阵列的距离，实时统计雷电发生的频数，并向声光报警器发送雷电预警指令；声光报警器，用于接收并响应所述雷电预警指令。其中，所述信号处理器具体包括放大器，用于对垂直天线阵列所接收到的雷电辐射信号进行放大；模数转换器，用于对放大后的雷电辐射信号进行同步模数转换；单板PC，用于对数字化后的雷电辐射信号进行快速傅里叶变换，通过频谱特征分析，对雷电辐射信号进行识别并剔除干扰信号；得到雷电辐射信号到达两个天线的相位差； 根据所计算得到的雷电辐射信号到达两个天线的相位差生成雷电源距离垂直天线阵列的距离；实时统计雷电发生的频数，分析局地雷电活动特点及演变特征；最终生成雷电预警指令并发送至所述声光报警器。其中，所述声光报警器包括警示灯及扬声器。其中，所述单板PC具体包括雷电信号识别及干扰信号剔除单元，用于对数字化后的雷电辐射信号进行快速傅里叶变换分析，根据其频谱特征对雷电辐射信号进行识别并剔除干扰信号；仰角计算单元，用于通过对数字化后的雷电辐射信号进行快速傅里叶变换，得到两路雷电辐射信号之间的相位差^V，根据相位差△ φ与雷电辐射信号的仰角α之间的关系来计算得到雷电辐射信号到达垂直天线阵列的仰角；雷电源距离估算单元，用于根据雷电源距离垂直天线阵列的距离d、雷电源的高度 h与雷电辐射信号的仰角α之间的关系来估算雷电源的距离d;报警指令生成单元，用于根据所计算得到的雷电源的距离及局地雷电活动演变特征，生成雷电预警指令。其中，所述两个天线通过水平支架分别安装在垂直于地面的竖直支架上上下间隔一定距离的位置上，所述水平支架及竖直支架均采用空心金属管材料，所述竖直支架设置在底座上；所述两个天线通过同轴电缆经竖直支架和水平支架的内部空间与所述信号处理器相连。其中，所述信号处理器通过置于竖直支架内的电缆组与所述声光报警器相连；所述信号处理器安装在垂直支架距离地面一定高度处，其通过垂直支架底部的开孔与外部电源相连。其中，所述信号处理器上设置有工作状态指示灯以及网络接口，其中，工作状态指示灯用来显示信号处理器的工作状态；网络接口与上位机、服务器或者因特网相连接。(三)有益效果本实用新型技术方案与现有技术相比较，具备如下有益效果(1)通过利用测量来自雷电源的雷电辐射信号到达天线阵列的仰角，进而来估算雷电源的距离，较好的解决了目前同类产品对雷电活动区域距离估算方面的不足；(2)利用宽带干涉仪原理，实现来自雷电源的雷电辐射信号到达天线阵列的仰角的高精度测量；(3)两个天线采用垂直地面上下放置构成探测天线阵列的方案，提高了对低仰角的雷电源的测量精度；(4)通过接收宽频带电磁辐射信号，采用频谱分析的方法，实现雷电辐射与人工电磁信号的鉴别，对雷电产生电磁辐射信号的识别更准确，使得该装置具有较强的抗干扰能力。

图1为本实用新型具体实施方式
部分所涉及的雷电预警装置的结构示意图；图2为本实用新型具体实施方式
部分所涉及的雷电预警方法的流程图；图3为本实用新型具体实施方式
部分所涉及的雷电源的距离与雷电辐射信号的仰角关系的示意图；图4为本实用新型具体实施方式
部分所涉及的信号处理器单元的结构原理示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、内容、和优点更加清楚，
以下结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式
作进一步详细描述。本具体实施方式
所涉及的雷电预警方法应用于雷电预警装置，所述雷电预警装置基于干涉法的基本原理，通过测量在两个相隔一定距离的天线接收雷电辐射信号的相位差，就可以确定出雷电辐射信号相对于天线基线(两个天线的连线)的入射角，当两个天线垂直于地面上下放置，则可确定出雷电辐射信号到达该装置的仰角。如果本装置加上两个天线，构成相对于该垂直基线的两个正交水平基线，即如图 1所示的垂直支架5上相隔一定距离的位置上各自设置一个偶极子天线，构成垂直天线阵列结构，该结构可同时提供来自雷电源的雷电辐射信号的方位角和仰角信息(如宽带干涉仪)。该技术方案并没有采用现有技术中所采用的水平正交基线的天线阵列，而仅采用一组垂直地面上下放置的两天线阵列，主要是考虑到本装置关键是要对雷电源距离天线阵列的距离估算有足够高的精度，相对其发生的方位是次要的，而这样布置的天线阵恰恰在仰角较小时，测量精度最高，且这种设计极大简化了设备结构和降低了制作成本。如图1所示，所述雷电预警装置包括垂直天线阵列，包括两个完全相同的偶极子天线1 ；所述两个天线1通过水平支架 6分别安装在垂直于地面的竖直支架5上上下间隔一定距离的位置上，所述水平支架6及竖直支架5均采用空心金属管材料，所述竖直支架5设置在底座4上。所述两个天线1之间的距离固定；所述垂直天线阵列用于接收来自局地区域对流云内雷电活动所产生的雷电辐射信号，并通过同轴电缆7经竖直支架5和水平支架6的内部连接输送到信号处理器2 ；信号处理器2，用于对所述垂直天线阵列所接收到的雷电辐射信号进行放大、模数转换、傅里叶频谱分析等一系列计算分析处理，计算得到雷电源距离天线阵列的距离，实时统计雷电发生的频数，分析该时段内雷电活动特征，发出不同等级的雷电预警指令。其指令信号通过置于竖直支架5内的电缆组8传输到声光报警器3 ；信号处理器2安装在垂直支架5距离地面一定高度处，其通过垂直支架5底部的开孔11与外部电源相连，供电通过开孔11接入；信号处理器2上设置有工作状态指示灯9以及网络接口 10，其中，工作状态指示灯9用来显示信号处理器2的工作状态；网络接口 10用于与上位机或服务器相连接，进行软件的维护、升级，或连接因特网，通过外部指令来对信号处理器2的工作状态进行远程监控；声光报警器3，用于根据来自所述信号处理器2的报警信号进行声音或/和灯光报警；所述声光报警器3包括警示灯及扬声器，用于以不同的灯光和声音发出不同等级的雷电报警信号。其中，如图4所示，从逻辑功能结构来说，所述信号处理器2具体包括放大器模块，用于对垂直天线阵列所接收到的雷电辐射信号进行放大；模数转换(A/D)模块，用于对放大后的两路雷电辐射信号进行同步模数转换；单板PC模块，用于对A/D转换后的两路数字信号进行分析处理，具体功能包括对数字化后的雷电辐射信号进行快速傅里叶变换，通过频谱特征分析对雷电辐射信号进行识别并剔除干扰信号，计算得到两路雷电辐射信号之间相位差、雷电辐射信号的仰角并生成雷电源距离垂直天线阵列的距离，同时实时统计雷电发生的频数，最终生成报警信号并发送至所述声光报警器单元；所述单板PC模块具体包括雷电辐射信号识别及干扰信号剔除单元、仰角计算单元、雷电源距离估算单元、雷电频数实时统计单元和报警指令生成单元；其中，所述雷电信号识别及干扰信号剔除单元，用于对数字化后的雷电辐射信号进行快速傅里叶变换分析，根据其频谱特征对雷电辐射信号进行识别并剔除干扰信号；所述仰角计算单元，用于通过对数字化后的雷电辐射信号进行快速傅里叶变换， 得到两路雷电辐射信号之间的相位差^V，根据相位差△ Φ与雷电辐射信号的仰角α之
间的关系Δ炉来计算得到雷电辐射信号到达垂直天线阵列的仰角，其中，f
C
为雷电信号的频率，C为光速，1为天线之间的基线长度；所述雷电源距离估算单元，用于根据雷电源距离垂直天线阵列的距离d、雷电源高
^ h
度h与雷电辐射信号的仰角α之间的关系J = T"^来估算雷电源的距离d;其中，雷电
tan(a)
源高度h —般在4km IOkm范围内；所述雷电频数实时统计单元，用于实时统计雷电发生的频数；所述报警指令生成单元，用于根据所计算得到的雷电源距离及局地雷电活动演变特征，生成雷电预警指令。此外，所述雷电预警装置还也设有网络接口，用于装置软件维护、升级，或通过网络远程监测设备运行状态，所述雷电预警装置整体结构设计简洁，顶部采用圆弧设计，可有效阻止装置本身产生电晕放电，且全部电连接均封闭在整个支架内，具有很好的防雷效果。接下来，如图2所示，本具体实施方式
所涉及的雷电预警方法包括如下步骤Sl 在垂直于地面的支架上相隔一定距离的上下两个位置上设置两个相同的偶极子天线，构成垂直天线阵列；[0063]S2 对雷电辐射信号进行识别并剔除干扰信号对垂直天线阵列所接收到的信号做快速傅里叶变换，将具备雷电频谱特征的信号视作雷电辐射信号，否则作为干扰信号予以剔除；相对于绝大多数人工的信号(干扰源)， 雷电辐射是一种自然信号源，具有频谱极宽的特征，其能量主要的频率范围在10Hz-300MHz 之间，而通常由通讯等产生的干扰信号则频带相对很窄，一般频率范围在几kHz-几MHz。根据此特征，通过对垂直天线阵列所接收到的信号做快速傅里叶变换分析，利用信号的频谱特征就可以很容易的识别雷电辐射信号，从而剔除干扰信号。S3 测量得到雷电辐射信号到达垂直天线阵列的仰角具体包括S301 利用宽带低噪声放大器对垂直天线阵列所接收到的雷电辐射信号进行放大，以增大设备的有效探测距离，信号带宽一般为几十MHz ；S302 利用模数转换(A/D)模块对放大后的两路雷电辐射信号进行同步高速模数转换，采样频率为几百MHz (或IGHz)；S303:对数字化后的两路雷电辐射信号利用通用计算机接口传输到单板计算机， 通过对雷电辐射信号进行快速傅里叶变换，计算得到雷电辐射信号到达两个天线的相位差 Αφ·,S304:根据相位差力ρ与雷电辐射信号的仰角α之间的关系，计算得到雷电辐射信号到达天线阵列的仰角α ；对于本装置采用的垂直于地面上下放置的天线，其相位差力炉和雷电辐射信号仰角α之间的关系为
权利要求1.一种雷电预警装置，其特征在于，该装置包括垂直天线阵列，用于接收雷电辐射信号，包括两个相同的偶极子天线，所述两个天线分别安装在垂直于地面的支架上不同高度处的位置上；信号处理器，用于对所述垂直天线阵列所接收到的雷电辐射信号进行分析处理，计算得到雷电源距离垂直天线阵列的距离，实时统计雷电发生的频数，并向声光报警器发送雷电预警指令；声光报警器，用于接收并响应所述雷电预警指令。
2.如权利要求1所述的雷电预警装置，其特征在于，所述声光报警器包括警示灯及扬声器。
3.如权利要求1所述的雷电预警装置，其特征在于，所述两个天线通过水平支架分别安装在垂直于地面的竖直支架上上下间隔一定距离的位置上，所述水平支架及竖直支架均采用空心金属管材料，所述竖直支架设置在底座上；所述两个天线通过同轴电缆经竖直支架和水平支架的内部空间与所述信号处理器相连。
4.如权利要求3所述的雷电预警装置，其特征在于，所述信号处理器通过置于竖直支架内的电缆组与所述声光报警器相连；所述信号处理器安装在垂直支架距离地面一定高度处，其通过垂直支架底部的开孔与外部电源相连。
5.如权利要求4所述的雷电预警装置，其特征在于，所述信号处理器上设置有工作状态指示灯以及网络接口，其中，工作状态指示灯用来显示信号处理器的工作状态；网络接口与上位机、服务器或者因特网相连接。
专利摘要本实用新型涉及基于闪电宽带干涉仪原理的雷电预警装置，属于雷电探测技术领域。为克服现有单站预警技术效果不理想的缺点，本实用新型提供的预警装置包括垂直天线阵列，由两个相同的偶极子天线，分别安装在垂直于地面的支架上不同高度处；信号处理器，对垂直天线阵列接收到的雷电辐射信号进行分析处理，计算得到雷电源的距离，实时统计雷电发生的频数，并向声光报警器发送雷电预警指令；声光报警器，用于接收并响应雷电预警指令。本实用新型技术方案通过将两个天线垂直于地面上下放置，提高了对低仰角雷电源的测量精度，利用雷电辐射信号到达天线阵列的仰角估算雷电源的距离，解决了目前同类产品对雷电活动区域距离估算方面的不足。
文档编号G01R29/08GK202025042SQ20102063104
公开日2011年11月2日 申请日期2010年11月25日 优先权日2010年11月25日
发明者刘恒毅, 周康辉, 董万胜 申请人:中国气象科学研究院