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'中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn一种低成本雷电定位预警系统的研究**王奇，禹胜林，张驰（南京信息工程大学电子与信息工程学院，南京210044）5摘要：目前，市场上的雷电定位预警产品技术较为成熟，但价格比较昂贵，布站密度不够，不能做到精细化。本文依据雷电定位预警相关理论，本着低成本的原则，研究并设计了一套雷电定位预警系统，主要介绍了360°感应式雷电传感器的工作原理以及系统时间同步的设计思路。通过试验，对雷电频数进行了月统计和日统计分析，利用Holt双参数线性指数平10滑法分析预测雷电云地闪频数，预警时间10分钟，实现了云地闪雷电定位以及雷电预警分析。关键词：雷电定位；传感器；时间同步；雷电预警中图分类号：TP27415ResearchonaLow-costLightningLocationEarlyWarningSystemWANGQi,YUShenglin,ZHANGChi(CollegeofElectronicandInformationEngineering,NanjingUniversityofInformationScienceandTechnology,Nanjing210044)20Abstract:Atpresent,thetechnologyoflightninglocationwarningproductsonthemarketisrelativelymaturebutthepriceiscomparativelyexpensiveandthedensityisnotenough.Itcannotbeelaborate.Basedonthetheoryoflightninglocationandearlywarningandwithlowcostprinciple,anearlywarningsystemforlightninglocationisstudiedanddesignedinthisarticle.Thispapermainlyintroducestheworkingprincipleofthe360degreeinductionlightningsensorandthedesignmethodof25systemtimesynchronization.Basedontheexperiment,themonthlyanddailystatisticalanalysisoflightningfrequencyisconducted.ByusingHolttwoparameterlinearexponentialsmoothingmethod,weanalyzedandpredictedlightningflashoverfrequencyin10minutesofwarningtimetomakelightninglocationandlightningearlywarninganalysis.Keywords:lightninglocation;sensor;timesynchronization;lightningwarning300引言雷电发生瞬间会产生强大的电流、电磁波、超高的温度以及对地面巨烈的冲击波，这些[1]物理信号会在瞬间造成雷电灾害，雷电灾害已成为当前最为严重的气象灾害之一。我国是[2]全球雷电灾害的多发区，对于雷电准确的检测和预报研究，已成为人们急需解决的问题。3520世纪70年代以来，随着电子信息和计算机技术的快速发展，具备自动化高精度功能的雷电探测定位技术已经发展成为了一个专门的研究领域。主要是探测雷电发生时产生的光、声音、电磁波等可测信号，进而归纳雷电的放电特性，实现雷电定位与预警。目前市场上比较常用的是ADTD型闪电定位仪，主要是气象局建立在各省市的雷电探测网中，但只是涵[3]盖主要城市，且布站距离较远。ADTD型闪电定位仪的成本较贵，单个子站定位仪就高达40十万，布站太稀疏，不能大范围涵盖，对于一些偏远地区更是缺乏，且不易维修，一段损坏就探测不到该地区。本文旨在研究一种低成本的雷电定位定位预警系统，只占市场产品的30%～40%，通过对雷电来临时电磁脉冲频率的统计和定位，并通过合适的数值模型分析算法，实现对雷电灾害进行预警作者简介：王奇（1990-），男，硕士研究生，主要研究方向：应用气象通信联系人：禹胜林（1966-），教授,主要研究方向:气象电子工艺.E-mail:yslhz112@163.com-1- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn1系统子站模块设计451.1360°感应式雷电传感器360°感应式雷电传感器作为整个系统的前端，负责雷电电磁波信号的采集工作，采用双通道模式分别记录雷电云间闪和云地闪的脉冲次数，针对甚低频电磁波信号，接收天线对云地闪测量频率约为10kHz，云间闪测量频率约为30kHz。雷电采集原理如图1所示，天线接收到的双通道电磁信号通过保护电路之后需要进行信号放大，设计中雷电传感器采用前置单50管放大器实现电信号一级正相放大，通过可控增益电路调节电压增益0～30dB,使双通道雷电信号匹配动态测量范围，接着通过由一阶无源高通滤波和低通滤波组成的带通滤波器实现频率匹配，输出信号一级放大，可调增益0～30dB，最后信号送入缓存作为通道A和通道B两路信号。保护电路可调增益高通滤波低通滤波可调增益缓存探测天线通道A保护电路可调增益高通滤波低通滤波可调增益缓存探测天线通道B主控制器5V电源55图1雷电采集原理图Fig.1Lightningacquisitionschematic1.2主控电路设计本文设计中采用的是STM32系列芯片中增强型处理器STM32F103C8T6，该控制器芯60片及系统相关外设如图2，工作频率f72MHz,处理器满足单周期乘法和硬件除法，适合用来处理大量的雷电数据，支持的I2C和USART适合内部数据传输与通信，综合考虑满足[4]数据处理的低成本设计要求。-2- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn5图2主控及外设电路65Fig.2MCUandperipheralcircuit2系统时间同步与定位2.1时间同步[5]雷电探测系统中，其核心部分是要实现各个子站的时间同步，要求同步精度达到100ns以下，设计中采用的是GPS的1PPS信号控制计数器，计数器与20M恒温晶振连接，701PPS提供稳定的秒脉冲更新数据，精度为50ns，满足系统时间同步的要求。时间同步电路如图3，采用计数器74HC4020进行锁存，一旦发生雷电，计数器U2第一位计数1，产生高电平，由二极管D2输出一个高电平锁存信号，这个信号锁住了计数器U3的时钟脉冲输入，计数器U3停止计数。二极管D1经过反相器反向，输出一个低电平锁存信号，锁住了GPS清零。每一个1pps秒脉冲之后，计数器U3开始计数，频率就是20M的方波脉冲。当75雷电到达，相邻各站的时间差不会超过一秒，U3的各站计数差直接就反映了各站收到雷电的时间差。由MCU给出锁存器的清零信号，锁存器的第一位恢复低电平，锁存信号消失，GPS重新开始秒同步，系统恢复工作。0图3时间同步电路80Fig.3Timesynchronizationcircuit-3- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn2.2定位算法5本系统采用的是四站时间差法（TOA）对云地闪进行定位，时差法定位原理如图4所示，[6]若1,2子站接受到雷电信号，则子站1和子站2可确定出一条以两子站为焦点的双曲线，当有三个子站接收到雷电信号就可以对雷电进行定位。85图4时差法定位0Fig.4TOAlocation90当有多个探测站观察到闪电信号时，定位算法可表示为22xx1yy1ctt122xx2yy2ctt2（1）22xxnyyncttn结合本系统采用4个子站，公式（1）经过简单运算则有2222xx2yy2xx1yy1ctt212222xx3yy3xx1yy1ctt31（2）2222xx4yy4xx1yy1ctt41根据测得站点的时间信息和各站点位置信息结合坐标转换解公式（2）即可实现对云地95闪二维定位。3软件设计3.1软件总体设计0根据需求分析可将软件的总体设计分为：雷电数据接收与处理模块，数据库设计模块，用户界面显示模块。软件总体结构图5所示。-4- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn100图5软件总体结构Fig.5Softwarearchitecture数据处理端通过GPRS-DTU无线传输接收四个站点的数据信息，站点作为客户端，数[7]据处理站作为服务器端,采用C/S架构实现一点对多点的通信。在软件实现过程中数据的接105收和处理需要用一个独立的子线程实现，数据处理流程图如图6所示。图6数据处理流程图Fig.6Dataprocessingflowchart-5- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn04实验及预警分析1104.1实验根据实际布站情况，从2016年9月开始在无锡市开始了实地探测实验，四个站点呈矩5形排列，站点经纬度坐标分别为（120.36353°，31.487528°）、（120.135864°，31.709957°）、（120.398025°，31.903405°）、（120.613043°，31.683412°）。综合整个9月份实验探测到的实际数据，得出雷电频数云间闪29087个，云地闪20753115个。如图6-1所示，某一时刻单个雷电的定位分析，站1接收到的时间为2016年09月08日14时30分27秒167473.8微秒；站2接收到的时间为2016年09月08日14时30分27秒167627.4微秒；站3接收到的时间为2016年09月08日14时30分27秒167513.7微秒；5站4接收到的时间为2016年09月08日14时30分27秒167581.6微秒。经过到达时间差法定位计算，得出雷电的落点位置经纬度为（120.467015°，31.651941°），雷电发生时间为1202016年09月08日14时30分27秒167430.5微秒。图7雷电定位显示Fig.7Lightninglocationdisplay54.2预警分析125利用定位系统采集到2016年9月份的数据，对云间和云地闪进行了按月统计和按日统计研究与分析。图8雷电频数月统计图9雷电频数日统计0Fig.8MonthlystatisticsoflightningfrequencyFig.9Dailystatisticsoflightningfrequency130月统计雷电频数在14日-16日比较高，说明雷电活动频繁，参考实际天气，可能是受2016年第十四号台风“莫兰蒂”和第十六号台风“马勒卡”往华东地区的辐射影响；日统计可知-6- 中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn云间闪和云地闪分布呈峰值状，13：00～18：00时间段内发生的地闪次数占到了全天的40．97％，是1天中雷电事件比较频发的时间段。综合云间闪和云地闪频数和定位数据，采用基于Holt双参数线性指数平滑模型对雷电135频数进行预测。Sx1Sb（3）tttt11bSttSt111btPSbmtmttS位指数平滑值，x为本期观测值，P为预测值，、为预测参数，初始条件下，tttmSx，b0，m为预测的超前期数。利用公式（3）对2016年9月8日14时30分之000后的云间闪和云地闪频数进行预测，经过反复计算对和取值，使残差平方和最小，得140到云地闪的预测公式为Pm2.50.5（4）30m利用公式(4)对接下来15分钟的雷电云地闪频数进行预测与实际探测到的数据对比。如表1所示表1云地闪频数预测统计145Tab.1Predictionofcloudtogroundlightningfrequency时间预测值测量值准确率14:31430.6714:33650.8014:35760.8314:3777114:39830.3714:41940.4414:431010.114:451250.41由表1可知，Holt双参数线性指数平滑法只适合大约8分钟的预测，时间越长误差越大。相同条件下分别令m2，m5计算，超过10分钟之后，误差越来越大，准确率下降，由此可以得出结论，利用Holt双参数线性指数平滑法对雷电频数进行预测，可以在较短时间内预测判断雷电云地闪的频数，预警时间为10分钟。1505结论本文研究了一种低成本雷电定位预警系统，只占市场产品的30%～40%。介绍了子站360°感应式雷电传感器的工作原理以及系统多站时间同步的设计思路和工作原理，设计一套四子站的雷电定位系统，在无锡进行了实地探测实验，采集了2016年9月的雷电数据，并对云间闪和云地闪频数分别进行了月统计和日统计分析，利用Holt双参数线性指数平滑法155分析预测雷电云地闪频数，预警时间10分钟。[参考文献](References)-7- 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