專利名稱：一種vhf頻段云閃雷電探測定位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于雷電監(jiān)測預(yù)警技術(shù)研究領(lǐng)域，涉及一種VHF頻段云閃雷電探測定位系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著相位干涉儀技術(shù)的發(fā)展和逐步成熟，以及雷電氣象學(xué)和雷電災(zāi)害探測預(yù)報的實際應(yīng)用需要，二十世紀(jì)80年代中期，法國Vaisala公司推出了工作于VHF頻段的雷電探測定位系統(tǒng)——SAHR系統(tǒng)，并逐步在世界多個國家和地區(qū)投入運用，我國也于本世紀(jì)初引進(jìn)三套SAHR3000系統(tǒng)并分別部署于北京、上海和武漢三地，該系統(tǒng)能夠自動、連續(xù)、實時地監(jiān)測云閃雷電的發(fā)生情況。二十世紀(jì)90年代以來，隨著GPS技術(shù)和信號處理技術(shù)的發(fā)展，美國研制出采用時差法和磁定向法相結(jié)合的LDAR系統(tǒng)(Lightning Detection and Ranging)并應(yīng)用于肯尼迪航天中心，為航天發(fā)射過程中的雷電監(jiān)測和預(yù)報提供了一種技術(shù)手段。此外，美國Los Alamos國家實驗室于1997年在FORTE衛(wèi)星上裝載了 VHF頻段接收機(jī)和光學(xué)探測系統(tǒng)0LS，通過對電信號和光信號的接收與分析來獲得從衛(wèi)星上觀測和識別雷電的能力。我國于二十世紀(jì)80年代末期開始雷電探測定位技術(shù)的研究，從引進(jìn)消化到自主開發(fā)，形成了一定技術(shù)能力。董萬勝等人利用兩個天線構(gòu)成寬帶干涉儀來對閃電進(jìn)行觀測， 實現(xiàn)了雷電發(fā)生位置、輻射頻譜、電場變化等多個觀測量的記錄。郄秀書等人研究了基于短基線到達(dá)時間(TOA)的閃電定位技術(shù)，分析了閃電發(fā)生初始階段和活躍階段的通道發(fā)展情況以及輻射源的定位情況。目前，中國華云公司研制的針對LF/VLF頻段地閃雷電探測定位的系統(tǒng)——LD-II型雷電定位系統(tǒng)、中科院空間科學(xué)中心研制的“時差測向混合高精度系統(tǒng)”，以及國家電力部門針對高壓輸電網(wǎng)雷擊探測的地閃雷電定位系統(tǒng)已在國內(nèi)投入使用。到目前為止，國內(nèi)不管是從寬帶干涉儀還是窄帶干涉儀基礎(chǔ)上發(fā)展起來的雷電探測定位系統(tǒng)，均沒有針對大數(shù)據(jù)量云閃雷電信號采集、檢測、信號到達(dá)方向估計、信號到達(dá)時間差估計等關(guān)鍵環(huán)節(jié)與成套系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù)方面的專利。同時，目前我國真正掌握并投入實際應(yīng)用的雷電探測定位系統(tǒng)，全部是針對低頻/甚低頻地閃雷電的，還沒有出現(xiàn)專門針對云閃雷電的觀測定位系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于設(shè)計實現(xiàn)一種VHF頻段云閃雷電探測定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對同時發(fā)生的多個雷電輻射源或同一雷電輻射源經(jīng)不同傳播路徑到達(dá)探測子站的雷電輻射信號的入射方向進(jìn)行精確估計(D0A估計)，并在中心處理站計算任意兩個探測處理子站之間的雷電信號的到達(dá)時間差(TD0A估計)，然后使用DOA和TDOA信息確定云閃雷電輻射源的空間位置。本發(fā)明提供的一種VHF頻段云閃雷電探測定位系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括一個中心處理站和多個放置在不同位置的探測處理子站，探測處理子站與中心處理站通過無線或有線方式接入公眾廣域網(wǎng)；通過廣域網(wǎng)，一方面探測處理子站將獲得的云閃雷電探測數(shù)據(jù)上傳至中心處理站，另一方面實現(xiàn)中心處理站對各個探測處理子站工作狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控；每個探測處理子站完成GPS/北斗衛(wèi)星授時和時鐘同步、VHF頻段雷電信號的陣列接收、采集、信號過門限檢測和信號二維波達(dá)方向TDOA估計，然后將獲得的實時雷電波形數(shù)據(jù)、協(xié)方差矩陣數(shù)據(jù)、陣列校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和時標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行組幀與本地緩存，最后通過廣域網(wǎng)將上述各類數(shù)據(jù)上傳到中心處理站；中心處理站接收到各個探測處理子站上傳的數(shù)據(jù)后，首先按照數(shù)據(jù)類型存入云閃雷電數(shù)據(jù)庫中，然后再從該數(shù)據(jù)庫中取出同一時間段內(nèi)對應(yīng)于各個探測處理子站的雷電波形數(shù)據(jù)并計算同一個雷電脈沖信號到達(dá)任意兩個探測處理子站的時間差，接著利用各個探測處理子站對應(yīng)于同一雷電脈沖信號的DOA信息和TDOA信息來建立D0A/TD0A組合定位方程，最終解算出發(fā)生云閃雷電的空間點坐標(biāo)。本發(fā)明系統(tǒng)利用VHF頻段陣列天線和射頻陣列接收機(jī)、FPGA/DSP構(gòu)成的數(shù)字信號處理硬件平臺完成VHF頻段雷電信號接收、處理、傳輸與控制。系統(tǒng)中使用先進(jìn)的空間譜估計技術(shù)快速精確測量雷電信號到達(dá)各個探測處理子站的方位角和俯仰角(D0A估計)，可實現(xiàn)對同時發(fā)生的多個雷電輻射源或同一雷電輻射源經(jīng)不同傳播路徑到達(dá)探測子站的信號入射方向的精確估計，這是與現(xiàn)有的各種雷電測向技術(shù)完全不同的。此外，系統(tǒng)還采用GPS/ 北斗衛(wèi)星高精度授時技術(shù)、PCI-DMA總線技術(shù)與FTP網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)將帶有高精度時間標(biāo)記的雷電波形和前述求得的雷電信號到達(dá)方向數(shù)據(jù)上傳至中心處理站，然后在中心處理站計算任意兩個探測處理子站之間的雷電信號到達(dá)時間差(TD0A估計)，并基于DOA和TDOA信息實現(xiàn)對云閃雷電輻射源的空間定位。本發(fā)明采用VHF頻段陣列天線、VHF頻段陣列接收機(jī)、可以以FPGA和DSP作為主處理器并配置大容量板載存儲器的數(shù)字處理硬件平臺，以及PXI嵌入式工控機(jī)等構(gòu)成完整的云閃雷電探測處理子站，而中心處理站采用多臺互聯(lián)的通用計算機(jī)構(gòu)成。探測處理子站與中心站之間采用FTP方式通過公眾廣域網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，傳輸各類雷電觀測數(shù)據(jù)和對子站的雙向監(jiān)控信息，擺脫了對數(shù)據(jù)傳輸專用網(wǎng)絡(luò)的依賴，極大地降低了建網(wǎng)成本和系統(tǒng)運行費用。 系統(tǒng)具有以下特點(1)構(gòu)成一個完整的VHF頻段雷電探測定位系統(tǒng)，可實現(xiàn)對VHF頻段云閃雷電信號的連續(xù)、不間斷觀測和定位。記錄連續(xù)雷電信號的時間可長達(dá)數(shù)小時而不丟失數(shù)據(jù)。(2)系統(tǒng)硬件復(fù)雜度低，建網(wǎng)成本和系統(tǒng)運行費用低，可擴(kuò)展性強(qiáng)。(3)每個探測處理子站能對雷電信號來波方向進(jìn)行高精度、超分辨率的觀測，中心處理站直接解算雷電信號到達(dá)任意兩個探測處理子站的時間差(TDOA)，不需要探測處理子站提供信號到達(dá)時間(TOA)信息。(4)中心處理站采用組合TDOA和DOA信息來計算云閃雷電發(fā)生點的空間坐標(biāo)；也可以只利用TDOA信息計算雷電發(fā)生點位置，而使用DOA信息來判別和剔除虛假定位點。本發(fā)明與其它方法或裝置的特點比較有(1)提出了一種基于8元均勻圓陣的VHF頻段云閃雷電信號到達(dá)方向測量的技術(shù)和裝置，可以對同時發(fā)生的多個雷電或同一雷電波經(jīng)不同路徑到達(dá)接收點的方向進(jìn)行高精度、超分辨率的觀測，有別于此前已有的各種雷電信號測向技術(shù)和裝置；
(2)提出了一種簡單實用的VHF頻段陣列天線和陣列接收通道校準(zhǔn)方法和裝置， 極大地減輕了對接收機(jī)各通道幅頻/相頻特性的一致性要求。(3)對VHF頻段雷電波形數(shù)據(jù)的連續(xù)記錄時間長，為VHF頻段雷電信號特征分析提供了詳實的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。(4)提出了一整套基于陣列天線、陣列接收機(jī)、FPGA/DSP處理平臺的VHF頻段云閃雷電信號接收、采集、處理、傳輸、存儲和最終定位解算的流程。(5)探測處理子站與中心處理站之間采用FTP方式通過公眾廣域網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，傳輸各類雷電觀測數(shù)據(jù)和對子站的雙向監(jiān)控信息，擺脫了對數(shù)據(jù)傳輸專用網(wǎng)絡(luò)的依賴，極大地降低了建網(wǎng)成本和系統(tǒng)運行費用。


圖1是本發(fā)明所指的VHF頻段云閃雷電探測定位系統(tǒng)的整體架構(gòu)；圖2是探測處理子站的功能單元框圖；圖3是探測處理子站的數(shù)字處理子系統(tǒng)硬件構(gòu)成框圖；圖4是中心處理站的功能單元框圖；圖5是探測處理子站中的VHF頻段陣列接收天線示意圖；圖6是探測處理子站的VHF頻段陣列接收單元中的一個模擬接收通道的構(gòu)成框圖；圖7是本發(fā)明所指的陣列校準(zhǔn)狀態(tài)與陣列接收狀態(tài)之間的切換時序圖；圖8是本發(fā)明所指的VHF頻段雷電信號短時能量分布示意圖；圖9是利用多個探測處理子站的TD0A/D0A信息進(jìn)行云閃雷電定位的示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明提出的一種VHF頻段云閃雷電探測定位系統(tǒng)，利用VHF頻段陣列天線和陣列接收機(jī)接收雷電輻射出的超寬帶信號中位于^KMHz附近的信號，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)字信號處理，再將提取的雷電參數(shù)上傳至中心處理站進(jìn)行雷電輻射源的定位解
笪弁。如圖1所示，本發(fā)明系統(tǒng)包括一個中心處理站20和N個放置在不同位置的探測處
理子站11、12、13.....IN, N為正整數(shù)，表示探測處理子站的數(shù)量。探測處理子站11、12、
13.....IN與中心處理站20通過無線或有線方式接入公眾廣域網(wǎng)。通過廣域網(wǎng)，一方面將
探測處理子站11、12、13.....IN獲得的云閃雷電探測數(shù)據(jù)上傳至中心處理站20，另一方面
實現(xiàn)中心處理站20對各個探測處理子站11、12、13.....IN工作狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。每個探
測處理子站11、12、13.....IN完成GPS/北斗衛(wèi)星授時和時鐘同步、VHF頻段雷電信號的陣
列接收、采集、信號過門限檢測、信號二維波達(dá)方向DOA估計、實時雷電波形/各類探測數(shù)據(jù)及高精度時標(biāo)的組幀與本地緩存等操作處理，最后通過廣域網(wǎng)將采集到的雷電波形數(shù)據(jù)、 計算得到的信號波達(dá)方向數(shù)據(jù)以及其它相關(guān)探測數(shù)據(jù)上傳到中心處理站20。中心處理站
20接收到各個探測處理子站11、12、13.....IN上傳的數(shù)據(jù)后，首先按照數(shù)據(jù)類型存入云閃
雷電數(shù)據(jù)庫中，然后再從該數(shù)據(jù)庫中取出同時間段內(nèi)對應(yīng)各個探測處理子站的雷電波形數(shù)據(jù)并計算同一雷電信號到達(dá)任意兩個探測處理子站的時間差(TDOA)，接著使用各個探測處理子站對應(yīng)于同一個雷電輻射源的DOA信息和TDOA信息來建立D0A/TD0A組合定位方程， 最終得到發(fā)生云閃雷電的空間點坐標(biāo)。下面借助實施例更加詳細(xì)地說明本發(fā)明的具體實施方式
，但以下實施例僅是說明性的，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不受這些實施例的限制。如圖2所示，每個探測處理子站至少包括以下單元時間頻率單元101、VHF頻段陣列天線102、VHF頻段陣列接收單元103、高速同步采集單元104、VHF頻段陣列校準(zhǔn)信號與本振發(fā)生單元105、探測處理子站數(shù)字處理子系統(tǒng)106和嵌入式控制器107。時間頻率單元101采用GPS/北斗衛(wèi)星授時技術(shù)為探測處理子站中的模擬和數(shù)字電路提供IOMHz基準(zhǔn)參考信號，以及標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號(1PPS脈沖)和通用協(xié)調(diào)時信息(UTC 信息)，同時還輸出5MHz、10MHz和50MHz同步時鐘。其中，IPPS脈沖的上升沿抖動均值小于50ns，使得探測處理子站的時間標(biāo)記分辨率達(dá)到20ns、各個探測處理子站之間的時鐘同步精度優(yōu)于50ns，從而確保整個云閃雷電探測定位系統(tǒng)的同步性。如圖5所示，VHF頻段陣列天線102由九個完全相同的VHF頻段全向天線構(gòu)成， 其中編號為1 8的八個天線按照均勻圓陣方式排列，編號1天線與編號5天線的連線為正東-正西指向，相鄰天線之間的距離不超過接收信號中心頻率對應(yīng)波長的一半，構(gòu)成一個八元均勻圓陣；編號9天線位于圓陣的中心點，作為陣列校準(zhǔn)信號的全向發(fā)射天線。每個全向天線可為單極子天線或?qū)ε紭O子天線，并在此基礎(chǔ)上增加有限接地面或變形為套筒天線結(jié)構(gòu)以進(jìn)一步改善天線水平面全向輻射特性、增大垂直面波束寬度并保證波瓣不出現(xiàn)分裂、改善寬帶駐波比特性、減弱周圍環(huán)境對天線性能的影響、減小天線之間的電磁互耦效應(yīng)。采用九根特性阻抗為50歐姆的同軸電纜將天線陣元與位于室內(nèi)的八個接收通道及一個陣列校準(zhǔn)信號發(fā)生器相連，每根同軸電纜中串接一個外殼接大地的雷擊浪涌保護(hù)器，以減弱或消除強(qiáng)脈沖或雷電流對室內(nèi)單元的影響。圖6是VHF頻段陣列接收單元103所包含的八個并行模擬接收通道的任一個的構(gòu)成框圖，每個探測處理子站包含八個這樣的模擬接收通道。每個模擬接收通道包括PIN管防雷擊限幅器、VHF頻段聲表面波帶通濾波器、低噪聲放大器、模擬下變頻器、中頻聲表面波帶通濾波器、增益可調(diào)的數(shù)控放大器、單端轉(zhuǎn)差分電路和差分低通濾波器串聯(lián)而成，各模擬接收通道之間的幅頻和相頻不一致性分別應(yīng)小于3dB和20°。各接收通道的模擬下變頻器所需本振由圖2中的VHF頻段陣列校準(zhǔn)信號與本振發(fā)生單元105提供，該單元同時還產(chǎn)生單頻陣列校準(zhǔn)信號并輸出至圖2中的VHF頻段陣列天線102中的編號為9的天線上，然后發(fā)射向空中。模擬接收通道將VHF頻段陣列天線接收到的中心頻率為290MHz的射頻信號無失真變換為適合模數(shù)轉(zhuǎn)換的模擬中頻信號，該中頻信號的中心頻率為61MHz、帶寬不超過 IMHz。高速同步采集單元104以50MHz采樣頻率對VHF頻段陣列接收單元103輸出的八路中心頻率為61MHz、帶寬不超過IMHz的模擬中頻信號進(jìn)行同步欠采樣和量化(量化位數(shù)不低于12bit)后，得到中心頻率為IlMHz的八路數(shù)字中頻信號，然后輸入到探測處理子站數(shù)字處理子系統(tǒng)106中。這八路數(shù)字中頻信號均為速率不低于600Mbps的高速串行數(shù)據(jù)流。探測處理子站數(shù)字處理子系統(tǒng)106至少又包括以下功能單元數(shù)字預(yù)處理單元、 高精度時間標(biāo)記單元、雷電信號檢測單元、通道一致性校準(zhǔn)單元、數(shù)據(jù)緩存與控制單元、信號波達(dá)方向估計單元、數(shù)據(jù)組幀與傳輸控制單元。圖3是探測處理子站數(shù)字處理子系統(tǒng)106的硬件構(gòu)成框圖，它主要由兩片F(xiàn)PGA芯片F(xiàn)PGA-A、FPGA-B、兩片DSP芯片DSP-A、DSP-B以及大容量SDRAM存儲條、PXI總線接口控制器、PXI總線、外部接口構(gòu)成。其中，F(xiàn)PGA-A主要完成數(shù)字預(yù)處理、高精度時間標(biāo)記、雷電信號檢測、通道一致性校準(zhǔn)、信號波達(dá)方向估計、數(shù)據(jù)緩存與控制等功能，F(xiàn)PGA-B主要完成數(shù)據(jù)組幀與傳輸控制、PXI總線接口控制等功能，兩片DSP芯片作為協(xié)處理器，輔助兩片 FPGA芯片完成通道一致性校準(zhǔn)和信號波達(dá)方向估計中的復(fù)雜數(shù)學(xué)運算。數(shù)字預(yù)處理單元主要完成八路高速串行數(shù)據(jù)流的同步接收和數(shù)字下變頻處理。 其中①八路高速串行數(shù)據(jù)流的同步接收首先執(zhí)行測試模式獲得八路高速串行數(shù)據(jù)流之間的時鐘相位偏差量，然后通過時鐘相位微調(diào)機(jī)制鎖定每路串行數(shù)據(jù)流接收器的位時鐘相位，實現(xiàn)對八路不低于600Mbps速率的串行數(shù)字中頻信號的同步接收，再經(jīng)串-并變換得到八路50Msps速率的并行數(shù)字中頻信號。②數(shù)字下變頻處理對前述得到的八路并行數(shù)字中頻信號進(jìn)行HR帶通濾波以濾除直流和帶外諧波失真分量，然后進(jìn)行正交數(shù)字下變頻、低通濾波和5倍抽取，得到數(shù)據(jù)率為5Msps、中心頻率為IMHz的八路中頻數(shù)字信號Xi (n) = Ii(Ii)-JQi (η), i = 1,2, -,8, J = ^,I1 (η)為(η)表示第i通道在η時刻輸出的同相和正交分量，為后續(xù)的雷電信號檢測、波形特征參量提取、DOA估計、數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍峁捄线m、信噪比高、數(shù)據(jù)率低的波形數(shù)據(jù)。由于天線接收的雷電信號不具備關(guān)于中心頻率共軛對稱的特性，因此為了防止出現(xiàn)頻譜混迭，不能變頻為零中頻的同相/正交信號。通道一致性校準(zhǔn)單元該單元在圖2所示的VHF頻段陣列校準(zhǔn)信號和本振發(fā)生單元105的配合下，完成對圖2所示的VHF頻段陣列天線102、VHF頻段陣列接收單元103、高速同步采集單元104級連而成的八通道陣列接收前端的幅度、相位不一致性的校準(zhǔn)補(bǔ)償處理。該單元包含陣列校準(zhǔn)狀態(tài)與陣列正常接收狀態(tài)之間的周期性切換控制模塊、VHF頻段陣列校準(zhǔn)信號接收抗干擾模塊、陣列通道幅/相不一致性系數(shù)計算模塊、陣列通道幅/相不一致補(bǔ)償模塊。其中①陣列校準(zhǔn)信號可以為單頻、多頻或帶通調(diào)制信號，其頻率可調(diào)范圍為 ^6ΜΗζ494ΜΗζ，其發(fā)射功率以保證八個接收通道接收此信號時無諧波失真且信噪比盡量高為準(zhǔn)。為簡化起見，可以采用單頻正弦波(如^KMHz)作為陣列校準(zhǔn)信號，該信號由圖2 所示的VHF頻段陣列校準(zhǔn)信號和本振發(fā)生單元105產(chǎn)生并輸出到VHF頻段陣列天線的第九個天線上。②陣列校準(zhǔn)狀態(tài)與陣列正常接收狀態(tài)之間的周期性切換控制模塊該模塊預(yù)設(shè)一定比例的陣列校準(zhǔn)時間和陣列接收時間(例如，時間比例為1 60或1 120)，并周期性地使陣列天線和陣列接收通道在這兩個狀態(tài)間進(jìn)行切換。如圖7所示，陣列校準(zhǔn)狀態(tài)包括接收通道本底噪聲測量階段、校準(zhǔn)信號發(fā)射功率調(diào)整階段、陣列校準(zhǔn)測量階段、校準(zhǔn)參數(shù)傳輸階段；在陣列接收狀態(tài)，利用前一狀態(tài)期間得到的陣列接收通道幅相不一致性系數(shù)對數(shù)字預(yù)處理單元輸出的八路同相/正交中頻數(shù)字信號進(jìn)行幅度/相位一致性補(bǔ)償。③VHF頻段陣列校準(zhǔn)信號接收抗干擾模塊在陣列校準(zhǔn)狀態(tài)期間，取第i個接收通道輸出的中頻數(shù)字信號Xi (n) = Ii (η)-風(fēng)(η)，計算下述“脈沖干擾度因子α ”
權(quán)利要求
1.一種VHF頻段云閃雷電探測定位系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括一個中心處理站和多個放置在不同位置的探測處理子站，探測處理子站與中心處理站通過無線或有線方式接入公眾廣域網(wǎng)；通過廣域網(wǎng)，一方面探測處理子站將獲得的云閃雷電探測數(shù)據(jù)上傳至中心處理站，另一方面實現(xiàn)中心處理站對各個探測處理子站工作狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控；每個探測處理子站完成GPS/北斗衛(wèi)星授時和時鐘同步、VHF頻段雷電信號的陣列接收、采集、信號過門限檢測和信號二維波達(dá)方向DOA估計，然后將獲得的實時雷電波形數(shù)據(jù)、協(xié)方差矩陣數(shù)據(jù)、陣列校準(zhǔn)數(shù)據(jù)和時標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行組幀與本地緩存，最后通過廣域網(wǎng)將上述各類數(shù)據(jù)上傳到中心處理站；中心處理站接收到各個探測處理子站上傳的數(shù)據(jù)后，首先按照數(shù)據(jù)類型存入云閃雷電數(shù)據(jù)庫中，然后再從該數(shù)據(jù)庫中取出同一時間段內(nèi)對應(yīng)于各個探測處理子站的雷電波形數(shù)據(jù)并計算同一個雷電脈沖信號到達(dá)任意兩個探測處理子站的時間差，接著使用各個探測處理子站對應(yīng)于同一雷電脈沖信號的DOA信息和TDOA信息來建立D0A/TD0A組合定位方程， 最終解算出發(fā)生云閃雷電的空間點坐標(biāo)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種VHF頻段云閃雷電探測定位系統(tǒng)，其特征在于，每個探測處理子站至少包括以下單元時間頻率單元(101)、VHF頻段陣列天線(102)、VHF頻段陣列接收單元(103)、高速同步采集單元(104)、VHF頻段陣列校準(zhǔn)信號與本振發(fā)生單元(105)、 探測處理子站數(shù)字處理子系統(tǒng)(106)和嵌入式控制器(107)；時間頻率單元(101)為探測處理子站中的模擬和數(shù)字電路提供IOMHz基準(zhǔn)參考信號、 標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖信號IPPS和通用協(xié)調(diào)時信息UTC，同時還輸出5MHz、1 OMHz、50MHz時鐘，其中的 IPPS脈沖的上升沿抖動均值小于50ns，使得探測處理子站的時間標(biāo)記的分辨率達(dá)到20ns、 各個探測處理子站之間的時鐘同步精度優(yōu)于50ns ；VHF頻段陣列天線(102)由九個相同的VHF頻段全向天線構(gòu)成，其中編號1至8的八個全向天線按照均勻圓陣方式排列，編號1天線與編號5天線的連線為正東-正西指向，相鄰天線之間的距離不超過接收信號中心頻率對應(yīng)波長的一半，構(gòu)成一個八元均勻圓陣；編號9天線位于圓陣的中心點，作為陣列校準(zhǔn)信號的發(fā)射天線；采用九根特性阻抗為50歐姆的同軸電纜將各個天線與位于室內(nèi)的八個接收通道及一個陣列校準(zhǔn)信號發(fā)生器相連，每根同軸電纜中串接一個外殼接大地的雷擊浪涌保護(hù)器；VHF頻段陣列接收單元(103)內(nèi)設(shè)置有八個模擬接收通道，各模擬接收通道所需本振由VHF頻段陣列校準(zhǔn)信號與本振發(fā)生單元(105)提供，該單元同時還產(chǎn)生單頻陣列校準(zhǔn)信號并輸出至VHF頻段陣列天線(102)中的編號9天線上，然后發(fā)射向空中；模擬接收通道將 VHF頻段陣列天線接收到的射頻信號無失真變換為適合模數(shù)轉(zhuǎn)換的模擬中頻信號；高速同步采集單元(104)對VHF頻段陣列接收單元(10 輸出的八路帶寬不超過IMHz 的模擬中頻信號進(jìn)行同步欠采樣和量化后，得到八路數(shù)字信號，然后輸入到探測處理子站的數(shù)字處理子系統(tǒng)(106)中；探測處理子站數(shù)字處理子系統(tǒng)(106)對輸入的八路數(shù)字信號進(jìn)行數(shù)字預(yù)處理后，得到八路中頻數(shù)字信號 & (n) = Ii (η)-JQi(H),! = 1,2,…，8，其中，_/+= V1T，Ii (η)和仏(η)分別表示第i通道數(shù)字預(yù)處理輸出信號在η時刻的同相和正交分量；接著進(jìn)行雷電信號檢測、 時間標(biāo)記、陣列通道一致性校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)緩存與控制、雷電信號波達(dá)方向估計，得到實時雷電波形數(shù)據(jù)、陣列校準(zhǔn)數(shù)據(jù)、協(xié)方差矩陣數(shù)據(jù)和雷電信號波達(dá)方向數(shù)據(jù)，然后組幀上傳到嵌入式控制器(107)的本地硬盤中；嵌入式控制器(107)將存儲于本地硬盤中的包括雷電波形數(shù)據(jù)、陣列校準(zhǔn)數(shù)據(jù)、協(xié)方差矩陣數(shù)據(jù)和雷電信號波達(dá)方向數(shù)據(jù)在內(nèi)的全部觀測數(shù)據(jù)按照文件傳輸協(xié)議方式上傳至中心處理站；
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種VHF頻段云閃雷電探測定位系統(tǒng)，其特征在于，中心處理站至少包括以下單元路由器001)、防火墻002)、通信與監(jiān)控服務(wù)器 003)、云閃雷電數(shù)據(jù)庫004)、TDOA計算服務(wù)器(20 和云閃雷電定位解算服務(wù)器O06)；各個探測處理子站得到的云閃雷電探測數(shù)據(jù)通過廣域網(wǎng)到達(dá)路由器001)，經(jīng)防火墻 (202)隔離無效IP數(shù)據(jù)包后，將有效IP數(shù)據(jù)包送至通信與監(jiān)控服務(wù)器O03)，然后經(jīng)交換機(jī)(207)存入云閃雷電數(shù)據(jù)庫O04)；TDOA計算服務(wù)器(205)通過交換機(jī)(207)訪問云閃雷電數(shù)據(jù)庫004)，得到帶有時間標(biāo)記信息的雷電波形數(shù)據(jù)，然后計算云閃雷電信號到達(dá)任意兩個探測處理子站的時間差并將此計算結(jié)果重新存放到云閃雷電數(shù)據(jù)庫O04)中；云閃雷電定位解算服務(wù)器(206)通過交換機(jī)(207)訪問云閃雷電數(shù)據(jù)(204)庫存，讀取其中的DOA和TDOA數(shù)據(jù)，然后使用這些數(shù)據(jù)建立基于雷電信號的波達(dá)方向DOA和到達(dá)時間差TDOA信息的組合定位方程，最終解算得到云閃雷電發(fā)生點或空間區(qū)域的空間坐標(biāo)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種VHF頻段云閃雷電探測定位系統(tǒng)，其特征在于，TDOA計算服務(wù)器O05)的具體處理過程為首先從云閃雷電數(shù)據(jù)庫(204)中檢索、讀取并拼接各個探測處理子站上傳的雷電波形數(shù)據(jù)，檢索、讀取和拼接的依據(jù)是雷電波形數(shù)據(jù)幀所攜帶的時間標(biāo)記及數(shù)據(jù)幀個數(shù)；通過計算任意兩個探測處理子站上傳的雷電脈沖波形之間的互相關(guān)系數(shù)，得到同一時間段內(nèi)各探測處理子站記錄的同源雷電脈沖隊列，再通過雷電信號到達(dá)時間差TDOA計算程序得到雷電信號到達(dá)任意兩個探測處理子站P、q子站的時間差Δ τ Μ;接著將位于同一時間段內(nèi)的TDOA信息、DOA信息放于一個數(shù)據(jù)集中，得到對于同一雷電輻射源的TD0A/D0A數(shù)據(jù)集合 (Δ τΜ，外，θρ)，其中，％、θ ρ分別表示第ρ個探測處理子站測得的雷電信號的入射方位角和俯仰角；最后，依據(jù)各個探測處理子站的位置坐標(biāo)和TD0A/D0A數(shù)據(jù)集合(Δ τΜ，外，θ ρ)， 建立組合定位方程組，通過迭代計算得到雷電輻射源的空間坐標(biāo)(X，1，ζ)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種VHF頻段云閃雷電探測定位系統(tǒng)，其特征在于，所述組合定位方程組包括以下三類定位方程①基于雷電信號到達(dá)任意兩個探測處理子站的時間差信息而建立的旋轉(zhuǎn)對稱雙曲面方程
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種VHF頻段云閃雷電探測定位系統(tǒng)，其特征在于，所述VHF 頻段陣列接收單元(10 中的每個模擬接收通道均包括依次串聯(lián)的防雷擊限幅器、聲表面波帶通濾波器、低噪聲放大器、模擬下變頻器、中頻聲表面波帶通濾波器、數(shù)控放大器、單端轉(zhuǎn)差分電路和差分低通濾波器；各個模擬接收通道的模擬下變頻器所需本振由VHF頻段陣列校準(zhǔn)信號與本振發(fā)生單元(10 提供。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種VHF頻段云閃雷電探測定位系統(tǒng)，其特征在于，探測處理子站數(shù)字處理子系統(tǒng)(106)至少包括以下功能單元數(shù)字預(yù)處理單元、高精度時間標(biāo)記單元、雷電信號檢測單元、通道一致性校準(zhǔn)單元、數(shù)據(jù)緩存與控制單元、信號波達(dá)方向估計單元、數(shù)據(jù)組幀與傳輸控制單元；數(shù)字預(yù)處理單元完成對輸入的八路高速串行數(shù)據(jù)流、(n)，i = 1,2,…，8進(jìn)行同步接收和數(shù)字下變頻處理；通道一致性校準(zhǔn)單元在VHF頻段陣列校準(zhǔn)信號和本振發(fā)生單元105的配合下，完成對 VHF頻段陣列天線(102)、VHF頻段陣列接收單元(103)、高速同步采集單元(104)級連而成的八通道陣列接收前端的幅度/相位不一致性的校準(zhǔn)補(bǔ)償處理，得到校準(zhǔn)補(bǔ)償后的中頻數(shù)字信號 Yi (η)，i = 1,2,…，8 ；雷電信號檢測單元計算中頻數(shù)字信號Yi (η)的短時能量、恒虛警檢測和二次量化、抗雜散脈沖干擾處理、標(biāo)記高精度時間信息后形成完整的雷電波形數(shù)據(jù)幀；數(shù)據(jù)緩存與控制單元將已判定為有雷電的八路雷電波形數(shù)據(jù)幀送至信號波達(dá)方向估計單元，以便進(jìn)行信號波達(dá)方向估計；同時，將其中任意一路雷電波形數(shù)據(jù)幀緩存于SDRAM 存儲條上；此外，該單元還將通道一致性校準(zhǔn)單元獲得的八通道幅度/相位不一致性系數(shù) ^、八通道相對功率、動態(tài)檢測門限值、陣列校準(zhǔn)時間信息等數(shù)據(jù)組幀后緩存于該存儲條上；信號波達(dá)方向估計單元使用來自數(shù)據(jù)緩存與控制單元的八路雷電波形數(shù)據(jù)幀，利用多重信號分類算法進(jìn)行空間譜估計，獲得該數(shù)據(jù)幀所對應(yīng)的雷電信號波達(dá)方向；數(shù)據(jù)組幀與傳輸控制單元對上述各處理單元獲得的各類觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行組幀、本地緩存，然后經(jīng)由PXI總線傳送到嵌入式控制器(107)的本地硬盤中。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種VHF頻段云閃雷電探測定位系統(tǒng)，其特征在于，數(shù)據(jù)組幀與傳輸控制單元獲得的各類觀測數(shù)據(jù)包括①帶有分辨率為20ns時標(biāo)信息的陣列校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，包括陣列校準(zhǔn)時間、八通道幅/相不一致性系數(shù)、八通道相對功率、動態(tài)門限值；②帶有分辨率為20ns時標(biāo)信息的某一個接收通道輸出的雷電波形數(shù)據(jù)幀；③帶有分辨率為20ns時標(biāo)信息的實對稱協(xié)方差矩陣；④帶有分辨率為20ns時標(biāo)信息的雷電信號波達(dá)方向數(shù)據(jù)，包括雷電信號個數(shù)、每個雷電信號的入射方位角和俯仰角和每個雷電信號的相對功率。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種VHF頻段云閃雷電探測定位系統(tǒng)，其特征在于，通道一致性校準(zhǔn)單元包含陣列校準(zhǔn)狀態(tài)與陣列正常接收狀態(tài)之間的周期性切換控制模塊、VHF頻段陣列校準(zhǔn)信號接收抗干擾模塊、陣列通道幅/相不一致性系數(shù)計算模塊、陣列通道幅/相不一致補(bǔ)償模塊；陣列校準(zhǔn)信號為單頻、多頻或帶通調(diào)制信號，其功率以保證八個接收通道接收此信號時無諧波失真且信噪比盡量高為準(zhǔn)；陣列校準(zhǔn)狀態(tài)與陣列正常接收狀態(tài)之間的周期性切換控制模塊根據(jù)預(yù)設(shè)的陣列校準(zhǔn)時間和陣列接收時間比例，周期性地使陣列天線和陣列接收通道在這兩個狀態(tài)間進(jìn)行切換；陣列校準(zhǔn)狀態(tài)包括接收通道本底噪聲測量階段、校準(zhǔn)信號發(fā)射功率調(diào)整階段、陣列校準(zhǔn)測量階段和校準(zhǔn)參數(shù)傳輸階段；在陣列接收狀態(tài)，利用前一狀態(tài)期間得到的陣列接收通道幅/相不一致性系數(shù)對數(shù)字預(yù)處理單元輸出的八路中頻數(shù)字信號進(jìn)行幅相一致性補(bǔ)償；在陣列校準(zhǔn)狀態(tài)期間，VHF頻段陣列校準(zhǔn)信號接收抗干擾模塊任取一個接收通道輸出的中頻數(shù)字信號Xi (n) = Ii (η) (η)，計算下述“脈沖干擾度因子α ”
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種VHF頻段云閃雷電探測定位系統(tǒng)，其特征在于，雷電信號檢測單元按順序?qū)ρa(bǔ)償后的中頻數(shù)字信號Yi(H)計算其短時能量、恒虛警檢測與二次量化、抗雜散脈沖干擾處理、標(biāo)記時間信息以形成完整的雷電波形數(shù)據(jù)幀短時能量計算使用任意一個接收通道輸出的補(bǔ)償后的中頻數(shù)字信號yi(n)，按照下述公式計算信號短時能量Es或包絡(luò)短時能量艮 信號短時能量
11.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種VHF頻段云閃雷電探測定位系統(tǒng)，其特征在于，信號波達(dá)方向估計單元使用八路雷電波形數(shù)據(jù)幀，利用多重信號分類算法進(jìn)行空間譜估計，獲得該數(shù)據(jù)幀所對應(yīng)的雷電信號波達(dá)方向；包括以下過程首先，按以下方式對八路雷電波形數(shù)據(jù)幀進(jìn)行實數(shù)化變換得到新的八路雷電數(shù)據(jù)Z1(η)、ζ2(η)、Z3(η)、ζ4(η)、ζ5(η)、ζ6(η)、ζ7(η)、ζ8(η)
全文摘要
本發(fā)明公開了一種VHF頻段云閃雷電探測定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一個中心處理站和多個放置在不同位置的探測處理子站，探測處理子站與中心處理站通過無線或有線方式接入公眾廣域網(wǎng)；通過廣域網(wǎng)，一方面探測處理子站將獲得的云閃雷電探測數(shù)據(jù)上傳至中心處理站，另一方面實現(xiàn)中心處理站對各個探測處理子站工作狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。該系統(tǒng)可對同時發(fā)生的多個雷電輻射源或同一雷電輻射源經(jīng)不同傳播路徑到達(dá)探測子站的雷電輻射信號的入射方向進(jìn)行精確估計，并在中心處理站計算任意兩個探測處理子站之間的雷電信號的到達(dá)時間差(TDOA估計)，然后使用DOA和TDOA信息確定云閃雷電輻射源的空間位置。
文檔編號G01R29/08GK102288838SQ201110204820
公開日2011年12月21日 申請日期2011年7月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月21日
發(fā)明者趙文光, 馬洪 申請人:華中科技大學(xué)