[发明专利]一种VLF/LF频段地闪雷电探测定位系统

说明书

技术领域

本发明属于地闪雷电监测预警技术研究领域，涉及一种甚低频/低频(VLF/LF)频段地闪雷电探测定位系统。

背景技术

雷电定位系统起源于20世纪70年代末，美国基于现代雷电遥测定位技术实现了大规模的雷电定位系统(LLS，Lightning Location System)建设，并将分布于各州的雷电定位系统联网形成了目前美国的国家雷电监测网(NLDN，National Lightning Detection Network)，实现了全面、完整地监测覆盖区域雷电活动情况。20世纪80年代中期，法国Vaisala公司研制出SAFIR3000V2地闪雷电定位系统，并在多个国家和地区投入使用。

我国也于20世纪80年代末成功研制出地闪雷电定位系统，并于上世纪90年代末开始在全国各地建设地闪雷电定位监测网，经过20多年的发展，目前我国的监测网系统已覆盖了全国大部分区域，为国家的电网传输、气象监测等部门提供了大量实用数据。

发明内容

本发明的目的在于设计实现一种VLF/LF频段地闪雷电探测定位系统，本系统可对地闪雷电辐射源产生沿地表面传播的地闪雷电信号波达方向(DOA)进行精确估计。

本发明提供的一种VLF/LF频段地闪雷电探测定位系统，其特征在于，该系统包括一个中心处理站和多个位于不同位置的探测处理子站；不同的探测处理子站以及中心处理站都通过无线或有线方式接入广域网形成一个联合的系统；

各个探测处理子站用于完成GPS/北斗卫星授时和时钟同步、系统通道群时延计算、地闪雷电信号的接收和同步采集、通道幅度不一致性校准、地闪雷电检测和信号波达方向估计，然后将获得的实时地闪雷电波形数据、测向角度信息、系统状态参量信息和时间标记信息进行组帧后，构成地闪雷电信号波形数据文件，通过广域网将该数据文件上传到中心处理站；

中心处理站通过广域网实现对各个探测处理子站工作状态的远程监控；中心处理站还用于接收各个探测处理子站上传的数据文件，并根据同一时段各个探测处理子站的地闪雷电信号波形数据文件计算同一个地闪雷电信号到达任意两个探测处理子站的时间差，再使用各个探测处理子站对应于同一地闪雷电信号的波达方向信息和到达时间差信息计算出地闪雷电辐射源的平面坐标位置。

本发明可以对地闪雷电辐射源产生沿地表面传播的地闪雷电信号波达方向进行高精度、超分辨率的观测；极大地减轻了对接收机通道幅度特性的一致性要求；解决了由于不同探测处理子站系统通道群时延不同而带来的TDOA估计误差问题；本发明还可以长时间对VLF/LF频段地闪雷电波形数据进行连续记录，为VLF/LF频段地闪雷电信号特征分析提供了详实的基础数据。具体而言，本发明系统具有以下特点：

(1)构成一个完整的VLF/LF频段地闪雷电探测定位系统，可实现对VLF/LF频段地闪雷电信号的连续、不间断观测和定位。记录连续地闪雷电信号的时间可长达数小时而不丢失数据；

(2)系统硬件复杂度低，建网成本和系统运行费用低，可扩展性强；

(3)探测处理子站采用非相干能量检测，提高了对地闪雷电信号的检测效率；

(4)探测处理子站能对地闪雷电信号来波方向进行高精度、超分辨率的观测，同时将地闪雷电信号波形数据文件上传至中心处理站，然后在中心处理站直接解算地闪雷电信号到达任意两个探测处理子站的时间差(TDOA)，不需要探测处理子站提供地闪雷电信号的到达时间(TOA)信息；

(5)探测处理子站对系统通道群时延进行有效估计，并将系统通道群时延信息加入地闪雷电信号波形数据文件中上传至中心处理站，中心处理站在进行TDOA计算时，利用各个探测处理子站的系统通道群时延信息，对用于进行TDOA计算的地闪雷电波形数据的时间标记信息进行补偿，从而可以最大程度地减少由于不同探测处理子站系统通道群时延不同而带来的定位误差；

(6)中心处理站采用组合DOA和TDOA信息来计算地闪雷电辐射源的二维平面坐标；也可以只用TDOA信息计算地闪雷电辐射源的位置，而使用DOA信息来判别和剔除虚假定位点。

附图说明

图1是本发明所指的VLF/LF频段地闪雷电探测定位系统的整体架构；

图2是探测处理子站功能单元框图；

图3是VLF/LF频段超宽带接收天线结构图；

图4是系统通道群时延计算过程；

图5是中心处理站功能单元框图；

图6是探测处理子站数字处理子系统功能单元框图；