|
江西省雷电监测定位网原理和布建
罗树如１
，
马启明２
，
俞 炳１
（１．江西省气象局，江西
南昌 330046；２．中国科学院空间科学与应用研究中心，北京
100080）
摘 要：
阐述了雷电监测网数据的应用、雷电监测网的探测原理和结构及功能，并根据江西的实际，提出了江西省雷电监测定位系统的布建和要求。
关键词：
雷电 监测 定位网 原理 布建
中图分类号：Ｐ415.3＋5 文献标识码：Ｂ 文章编号：1007－9033（2003）03－0042－04
雷暴是一种常见的自然现象，它的发生常伴随着强烈的声、光、闪电、狂风及冰雹或暴雨，从而给人们的生活和生产带来巨大的祸害和灾难。雷电监测定位系统可及时监测空中雷电的生成、发展和消失的全过程，以实时准确地跟踪定位。
１ 雷电监测网数据的应用
建立雷电监测定位系统后，其探测数据有多方面的应用。它主要可用于强对流天气的监测与预报；人工影响天气（增雨、防冰雹）；替代现有的雷电日、小时数的眼观、手工记录；新建工程选址时防雷的科学设计；已建工程的闪电防护情况的检测、评估；电力系统雷击故障点的抢修和线路防雷维护、管理；电信系统通讯线路、微波站、无线通讯基站雷击故障点的抢修和科学防雷维护；为民航航线、机场附近提供避雷安全调度依据；实时监测油气管道及泵站附近的雷电活动情况，提供安全保障服务；能对雷击引起的森林火灾和易燃易爆货场（仓库）雷击灾害进行预警等。
２ 雷电监测网的探测原理
２．１ 雷电主要参数的探测原理
闪电发生时，回击过程向周围辐射很强的电磁波，这种闪电电磁脉冲以地波和天波形式可以传输到上千ｋｍ的位置（图１）。雷电探测仪采用南北方向、东西方向放置的正交环磁场天线，垂直方向的电场天线组合测量闪电发生的方位角，理论误差能在±１°以内；采用ＧＰＳ天线进行时间同步，测量闪电到达探测仪的时间来计算闪电的精确位置，同步精度能保证在１０－７
ｓ以内。但由于路径上折射、探测站周围环境影响，实际误差往往为十几度甚至二十几度。为了克服单站定位的缺点，一般采用多站组网进行雷电定位。各雷电探测站实时探测闪电辐射的电磁脉冲，并送往中心站进行波形相关分析，通过Ｍａｘｗｅｌｌ方程组，解出回击源的位置、波形峰点到达的精确时间、放电极性、强度及回击数等多项闪电参数。
图1 雷电辐射的传播途径
２．２ 雷电定位原理及算法
高精度雷电多站定位系统一般由３个以上副站和１个主站组成。各雷电探测站实时探测雷电辐射的电磁脉冲参数，通过通讯线路实时将各测站数据发送到中心数据处理站进行方位交汇定位处理，计算出闪电的位置、强度等，并发送给各图形显示终端，供用户使用。一般采用测向系统和到达时间差综合定位法可取得较好的定位效果。测向系统是由各副站测量得到的准确的雷电来波方向，即方位射线，各方位射线的交汇点就是雷电的准确位置，图２分别是２站和３站时的测向图。到达时间差定位法是由高精确度ＧＰＳ天线测量雷电产生的电磁脉冲信号传播到各副站的准确时刻，２副站之间得到１个时间差，构成１条相应的双曲线，在双曲线上的任何一点都可能是闪电回击位置。另外２站之间也同样可构成１条双曲线，２条双曲线的交点即为闪电回击位置（图３）。为了保证更高的精度和更大的测量范围，一般布设４个以上副站，采用测向系统和到达时间差综合定位法对闪电进行定位（图４）。
图2 测向系统示意图
 
图3 时间差定位法示意图
 
图4 时间差测向混合算法示意图
３ 雷电监测定位网结构及功能
雷电监测定位系统分为５部分：彼此以１５０
ｋｍ左右间隔为基线的探测站网，集中处理数据的中心定位处理站，数据库服务器，图形显示工作站及将上述几部分联系起来的通讯和网络系统（图５）。
３．１ 高精度雷击探测仪网站
高精度雷击探测仪网站是由若干个“高精度雷击探测仪”按１００～３００
ｋｍ基线距离和一定的几何形状组成。它是通过接收和处理闪电发生时辐射的电磁波信号探测雷电，是雷电定位系统的传感器。每个探测站由探测仪、稳压电源、电源通讯防雷接口及调制解调器组成。
３．２ 中心数据定位处理站
中心数据定位处理站用来接收和处理各探测站送来的探测数据，控制和管理各探测仪的工作状况，对探测数据进行处理、定位计算，并将定位结果分送服务器和显示终端。中心数据定位处理站由调制解调器、１６路智能多串口服务器、中心定位处理计算机组成。
３．３ 雷电探测数据分析统计服务网络
用户数据服务网络是用来管理雷电定位结果数据库的。一方面它要管理由中心数据定位处理站传来的雷电定位结果和其它探测数据，形成数据库；另一方面，它要以数据和基于图形方式，将数据库数据开放，供各类网络用户访问和调用，以及在图形平台上进行雷电数据分析、统计。用户数据服务网络由服务器、集线器、远程拨号服务器等部分组成。
３．４ 雷击信息图形显示工作站
雷击信息图形显示工作站用来在电子地图上显示雷击位置，统计雷电参数。该工作站有２类：实时和网络浏览。实时图形显示工作站用来实时接收、显示雷电信息，可以用专线或者拨号方式通过串口获得数据。网络浏览器图形显示终端通过ＷＷＷ浏览器访问专用的雷电Ｗｅｂ服务器，显示雷电信息，并进行雷电的数据统计分析。雷击信息图形显示工作站由主机、大屏幕、彩色喷墨打印机等设备组成。
３．５ 通信网络
包括将探测站、中心数据处理站、图形显示工作站以及和Ｉｎｔｅｒｎｅｔ
／Ｉｎｔｒａｎｅｔ等网络的连接等。它根据各地区通讯的特点，具体设计。一般探测站到中心数据处理站的通讯方式可以为：有线电话线、Ｘ．２５网络、ＡＤＳＬ、９２１０数据通讯网、其它数据交换网、无线网ＧＰＲＳ、ＶＨＦ等。中心站及服务器、图形显示工作站等室内设备采用气象系统内部现有的网络传输数据。
图5 江西省雷电监测定位系统网络结构图
４ 我省雷电监测定位系统的布设
４．１ 接收站点的环境要求
（１）
场地要求：
电磁背景噪声，避开长波干扰（长波电台、导航台、强高压输电）；地势平坦，接收点附近３００
ｍ内、无±１０°以上坡度；尽量安装在地面和靠近地面的楼面上。
（２）
电源通讯要求：
电源稳定（２２０
Ｖ±１０％）；
通讯有保障（有线电话、无线网络等）。
（３）
接地、电源通讯线防雷：接地电阻≤３
Ω；电源、通讯线加屏蔽，屏蔽层接地。
４．２ 探测站点位置及探测范围
探测站数目为１２个，分别为：修水、九江、景德镇、宜春、南昌、鹰潭、上饶、临川、吉安、广昌、赣州、寻乌。每个探测站的探测范围平均为３００
ｋｍ，探测网覆盖范围如图６所示。
４．３ 雷电监测定位系统探测效率分布
单探测仪在中增益下其探测效率如图７所示。考虑到１１个探测仪的综合结果，江西雷电监测定位网８０％以上探测效率的探测范围如图８所示。
图6 雷电监测定位网探测站位置分布图
图7 高精度雷击探测仪单探测仪效率曲线图
图8
江西雷电监测定位网80％以上探测效率的探测范围图
图9 江西省大部分地区定位精度分布图
４．４ 雷电监测定位系统定位精度
首先将监测区域分成１００
ｍ×１００
ｍ的小区域，以每个小区域的中心点为假想的雷击点，计算到各站的距离，并转换为时间，按地波传播规律叠加上可能的时间误差。然后根据各探测仪的探测效率曲线，评估假想的雷击点被接收到的探测站数目。如果为２站的话，采用２站算法误差计算公式，得出误差值；如果为３站的话，采用３站算法误差计算公式，得出误差值；如果为４站及４站以上多站的话，采用最小二乘算法误差计算公式。最后，将对应的误差值按色标标注在地图上。误差椭圆长半轴半径对应误差慨率为３７％。我省大部分地区定位精度分布如图９所示。
____________________________
收稿日期：2003年04月21日
改回日期：2003年06月12日
第一作者简介：罗树如（1946－），男，高级工程师，主要从事气象业务现代化管理工作。 |
