雷电监测预警方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种雷电监测预警方法及系统。该方法包括：S1.探测待监测区域的大气平均电场、光辐射信号、电场变化信号、磁场变化信号以及GPS卫星信号并进行信号的调理以及转换；S2.根据电场变化信号判断电场变化量是否满足预设的触发条件：若是，则进行信号的采集存储并执行步骤S3，若否，则刷新等待；S3.对采集到的光辐射信号、电场变化信号和磁场变化信号进行波形特征提取，并根据提取的特征参量进行云地闪鉴别以及定位，同时存储以及显示闪电在地理信息系统中的位置、闪电时间以及闪电过程中光辐射信号、电场变化信号和磁场变化信号波形；S4.根据云地闪鉴别以及定位结果和大气平均电场幅值生成预警结果并根据预警结果发出警报信号。
【专利说明】雷电监测预警方法及系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及气象灾害预警【技术领域】，具体涉及一种雷电监测预警方法及系统。
【背景技术】
[0002]雷电灾害是我国最严重的自然灾害之一，由于其具有大电流、强电磁辐射等特性，常常引起森林火灾、油库爆炸、供电中断、通讯故障、设备破坏等事故，也容易造成人员伤亡。据保守估计，我国每年因雷电灾害造成的人员伤亡达上千人，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更是难以估计，雷电灾害已经波及到各行各业和生活的方方面面。
[0003]为了有效预防雷电灾害发生和降低雷电灾害的危害，目前常常采取以下防雷方式:第一，被动方式防雷，主要通过加强设备、设施、建筑的防雷水平来降低雷击发生时的受到的危害程度；第二，主动方式防雷，通过发展雷电探测及监测技术，进行预警预报，以提前做好断电、断网、屏蔽等防护准备；其中雷电探测及监测技术是雷电灾害预报的关键。雷电预警是主动式防雷中一种重要的方法，常常用于常规气象业务预报、森林雷击火预警、航空航天保障、电力系统安全、建筑施工、工厂、油库、旅游景点、体育场所、娱乐场和矿区等重要场所，能够大幅减少雷电对人类社会的危害。
[0004]传统技术中，许多商品化的雷电预警系统主要采用大气平均电场仪监测大气平均电场，根据大气平均电场的阈值给出不同等级的雷电预警信息。但是，由于地形地貌、环境条件的不同，雷暴云对地放电的条件也不同，而且大气平均电场值也可能由于周边环境的变化而发生改变(例如:有带静电的物体经过等)；因此，这类靠单一的大气平均电场值来判断雷击可能性的雷电预警系统存在准确率不高、容易出现虚警的缺点；另外，由于大气平均电场仪探测距离的局限性，也存在提前预警时间短的不足。
【发明内容】
[0005](一)要解决的技术问题
[0006]本发明的目的在于提供一种雷电监测预警方法及系统，用于降低雷电虚警率、提高雷电预警时效性以及提升雷电定位的精度。
[0007](二)技术方案
[0008]本发明技术方案如下:
[0009]一种雷电监测预警方法，包括步骤:
[0010]S1.探测待监测区域的大气平均电场、光辐射信号、电场变化信号、磁场变化信号以及GPS卫星信号并进行信号的调理以及转换；
[0011]S2.根据电场变化信号判断电场变化量是否满足预设的触发条件:
[0012]若是，则进行信号的采集存储并执行步骤S3，若否，则刷新等待；
[0013]S3.对采集到的光辐射信号、电场变化信号和磁场变化信号进行波形特征提取，并根据提取的特征参量进行云地闪鉴别以及定位，同时存储以及显示闪电在地理信息系统中的位置、闪电时间以及闪电过程中光辐射信号、电场变化信号和磁场变化信号波形；
[0014]S4.根据所述云地闪鉴别以及定位结果和大气平均电场幅值生成预警结果并根据所述预警结果发出警报信号。
[0015]优选的，所述步骤S3中，进行云地闪鉴别的方法包括:
[0016]S311.确定电场变化信号的峰值位置；
[0017]S312.提取所述峰值位置的特征参量，若电场变化信号同时满足:
[0018](a) 0.5 μ s < 10%_90% 的上升沿时间< 15 μ s ;
[0019](b)电场峰值> 电场起始值的1.2倍；
[0020](c)下降沿过零时间> 5μ s ；
[0021](d)对于近距离闪电，具有对应的光辐射信号变化；
[0022]则判定闪电为云地闪。
[0023]优选的，所述步骤S311之前还包括:对电场变化信号进行带通滤波，去除掉静电场的影响。
[0024]优选的，所述步骤S3中，进行云地闪定位的方法包括:
[0025]S321.在云地闪鉴别过程中获取回击位置，根据获取的回击位置计算光辐射信号、电场变化信号和磁场变化信号在回击位置处的峰值；
[0026]S322.根据正交的磁场变化信号的两个回击峰值进行比例运算，计算闪电回击通道相对于监测点的方位角，根据电场变化信号的正负来计算不同极性的回击造成的方位角模糊；
[0027]S323.根据回击位置处光辐射信号的强度来进行初步距离判断:
[0028]若光辐射信号强度大于预设的阈值，则根据光辐射信号强度确定回击距离；若回击光辐射信号强度不大于所述预设的阈值，则根据同步的电场变化信号以及磁场变化信号数据确定回击距离；
[0029]其中，根据同步的电场变化信号以及磁场变化信号数据确定回击距离包括:
[0030]将正交的两路磁场变化信号矢量合成一路磁场变化信号；
[0031]将回击位置附近的电场变化信号和合成的磁场变化信号进行傅里叶变换；
[0032]根据回击发生时刻电场变化信号和磁场变化信号在第一频率以及在第二频率范围内的特定频点处的比值A和B综合计算回击通道距离监测点的距离D=k.B/A，其中k为修正系数；
[0033]S324.根据计算得到的方位角、回击距离以及监测点的经纬度信息，获取云地闪发生位置的经纬度；根据回击时的磁场变化信号强度和回击距离反演云地闪电流强度。
[0034]优选的，所述步骤S322之后还包括:
[0035]根据校准系数修正系统误差带来的方位角误差。
[0036]优选的，所述步骤S4进一步包括:
[0037]根据云地闪定位结果和大气平均电场幅值，若云地闪发生位置到监测点距离大于距离阈值且大气平均电场小于电场阈值，则单独根据云地闪定位结果生成预警结果；
[0038]若云地闪发生位置到监测点距离小于距离阈值且大气平均电场幅度大于电场阈值，则根据大气平均电场幅度和云地闪发生位置到监测点距离的比值以及云地闪电流信息判断雷暴的强度，并根据大气平均电场变化以及云地闪的时间分布规律判断所处的雷暴阶段，最终提供多级预警结果。
[0039]本发明还提供了一种实现上述任意一种雷电监测预警方法的雷电监测预警系统:
[0040]一种雷电监测预警系统，包括:依次连接的集成探测天线单元、接收机单元以及综合控制平台；
[0041]所述集成探测天线单元，用于探测待监测区域的大气平均电场、光辐射信号、电场变化信号、磁场变化信号以及GPS卫星信号并发送至所述接收机单元；
[0042]所述接收机单元，用于将接收到的信号进行调理后发送至所述综合控制平台；
[0043]所述综合控制平台，用于综合处理以及分析接收到的信号得到预警结果并根据所述预警结果发出警报信号。
[0044]优选的，所述集成探测天线单元包括分别连接至所述接收机单元的大气平均电场仪、光辐射传感器、电场快变化传感器、磁场变化传感器以及GPS卫星接收天线。
[0045]优选的，所述接收机单元包括与所述大气平均电场仪连接的大气平均电场接收机、与所述光辐射传感器连接的光信号接收机、与所述电场快变化传感器以及磁场变化传感器连接的电磁场变化接收机以及与所述GPS卫星接收天线连接的GPS接收机。
[0046]优选的，所述综合控制平台包括:
[0047]数据采集单元，用于对所述接收机单元输出的信号进行模数转换；并在满足触发条件时:采集转换后的光辐射信号、电场变化信号和磁场变化信号并发送至数字处理单元，同时为GPS接收机提供触发信号；
[0048]数字处理单元，用于对接收到的光辐射信号、电场变化信号和磁场变化信号进行特征提取，并根据提取的特征参量进行云地闪鉴别以及定位，同时输出特征参量以及鉴别和定位结果至测控单元；
[0049]测控单元，用于管理所述数字采集单元以及数字处理单元；存储以及显示闪电在地理信息系统中的位置、闪电时间以及闪电过程中光辐射信号、电场变化信号和磁场变化信号波形；分析雷暴活动的趋势，并融合大气平均电场数据生成预警结果；
[0050]预警预报单元，用于根据所述测控单元的预警结果，输出对应预警级别的警报信号。
[0051](三)有益效果
[0052]本发明实施例所提供的雷电监测预警方法及系统，通过探测待监测区域的大气平均电场、光辐射信号、电场变化信号、磁场变化信号以及GPS卫星信号，并在综合处理以及分析检测到的各种信号后，得到预警结果并根据预警结果发出警报信号；本发明实施例所提供的雷电监测预警方法及系统具有集成程度高、探测参量多、定位精度好、预警虚警率低、预警时效性长、对其他天气资料需求少等优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0053]图1是本发明实施例中一种雷电监测预警系统的结构示意图；
[0054]图2是本发明实施例中一种雷电监测预警方法的流程示意图。
[0055]图中:11:大气平均电场仪；12:光福射传感器；13:平板电容天线；14:正交磁场天线；15 =GPS卫星接收天线；16:广角镜头；17:磁环上固定板；18:磁环下固定板；21:接收机单元；31:屏蔽仓室；32:防护罩；33:系统托板；34:中空支撑杆；35:支撑底座。
【具体实施方式】
[0056]下面结合附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】做进一步描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
[0057]本实施例中首先提供了一种雷电监测预警系统，该雷电监测预警系统主要包括依次连接的集成探测天线单元、接收机单元以及综合控制平台；集成探测天线单元，用于探测待监测区域的大气平均电场、光辐射信号、电场变化信号、磁场变化信号以及GPS卫星信号并发送至接收机单元；接收机单元，用于将接收到的信号进行调理后发送至综合控制平台；综合控制平台，用于综合处理以及分析接收到的信号得到预警结果并根据预警结果发出警报信号。该雷电监测预警系统实现了雷电探测系统的多功能化，从而能够为雷电的定位预警提供新的探测平台，最终实现降低雷电虚警率、提高雷电预警时效性以及提升雷电定位的精度的效果。下面结合图1对本实施例中雷电监测预警系统的各个部分加以详细的说明。
[0058]如图1中所示，本实施例中的集成探测天线单元中的大气平均电场仪11、光辐射传感器12、电场快变化传感器、磁场变化传感器以及GPS卫星接收天线15分别连接至接收机单元21 ;大气平均电场仪11用于监测监测点周围的大气平均电场，光辐射传感器12用于探测近距离闪电发生时的光辐射强度变化，电场快变化传感器用于探测闪电发生时的电场变化信号，磁场变化传感器用于探测闪电发生时的磁场变化信号，GPS卫星接收天线15用于探测GPS卫星信号；并且，集成探测天线单元将探测到的所有信号传送至接收机单元21。
[0059]其中，上述大气平均电场仪11可以采用传统的场磨式电场仪，也可以采用新型的娃基MEMS (Micro Electro Mechanic System,微机电系统)微型电场传感器；上述光福射传感器12可以包括广角镜头16和光敏元件，广角镜头16用于实现180度全视野的闪电光辐射信号的全面获取，光敏元件用于将接收到的光辐射信号转换为电信号，光学镜头和光敏元件之间可以通过光纤耦合或者直接耦合；上述电场快变化传感器可以是平板电容天线13，本实施例中，为了兼顾光辐射传感器12的布设，平板电容天线13为中空的金属平板环，金属平板环的中间位置用来固定容置光辐射传感器12 ;上述磁场变化传感器可以是正交磁场天线14，正交磁场天线14是两个具有相同的环截面积和线圈匝数且垂直正交的环形同轴线圈，正交磁场天线14设置在磁环上固定板17与磁环下固定板18之间；上述GPS卫星接收天线15可以采用蘑菇头式GPS卫星接收天线。
[0060]对应上述集成探测天线单元，本实施例中的接收机单元21进一步包括与大气平均电场仪11连接的大气平均电场接收机，用于调理大气平均电场信号；与光辐射传感器12中的光敏元件直接连接的光信号接收机，用于将光敏元件获得的电压信号进行放大调理；与电场快变化传感器以及磁场变化传感器连接的电磁场变化接收机，用于接收电场变化信号以及磁场变化信号，并对接收到的信号进行积分、滤波、放大等处理；与GPS卫星接收天线15连接的GPS接收机用于接收处理GPS卫星信号。
[0061]综合控制平台是为工业数据采集以及自动化应用量身定制的模块化仪器平台；本实施例中，综合控制平台主要包括数据采集单元、数字处理单元、测控单元以及预警预报单J Li ο
[0062]数据采集单元可以为数字化仪，用于接收上述接收机单元21输出的光辐射信号、电场变化信号和磁场变化信号，并对接收到的模拟信号进行模数转换；在满足触发条件时:采集模数转换后的光辐射信号、电场变化信号和磁场变化信号并发送至数字处理单元，并且上述数字化仪具有触发输出功能，因此，与此同时为GPS接收机提供触发信号，从而获得触发时刻精确的时间戳信息。
[0063]数字处理单兀可以是FPGA (Field Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)电路模块或者测控单元中的CPU，能够实现对数字信号的分析以及傅里叶变化等操作，本实施例中，其主要用于对接收到的光辐射信号、电场变化信号和磁场变化信号进行特征提取，并对提取的特征参量进行分析处理，从而获取云地闪鉴别以及定位结果，同时输出特征参量以及鉴别和定位结果至测控单元。
[0064]测控单元可以是工业控制计算机，GPS卫星信号直接通过GPS接收机输入到测控单元，大气平均电场信号经过大气平均电场接收机后也直接输入到测控单元；本实施例中，测控单元主要用于管理数字采集单元以及数字处理单元，例如控制数字化仪的采样长度、采样率、触发方式、触发阈值、存储路径、存储方式以及控制数字处理单元的处理参数、处理方式以及结果输出方式等；还用于存储以及显示闪电在地理信息系统中的位置、精确的闪电时间以及闪电过程中光福射信号、电场变化信号和磁场变化信号波形，存储介质一般为磁盘，如果要求更高的实时性，可以采用磁盘阵列，从而能够对光电磁原始波形信号和提取的特征参量以及定位信息和采集触发时的精确GPS时间信号进行存储；同时，测控单元还可以根据定位结果获得雷暴活动的趋势，并融合大气平均电场数据，生成预警结果。
[0065]预警预报单元，用于根据测控单元的预警结果，输出对应预警级别的警报信号；例如，本实施例中的预警预报单元，主要根据测控单元的预警结果，驱动音响设备和光学警报设备，给出符合相应预警级别的警报信号，其中根据警报级别的提升，声音频率加快，音量变强，光学警报也相应闪动频率加快，光强变强。
[0066]为了避免外界电磁信号对接收机单元21的影响，接收机单元21可以设置在屏蔽仓室31内；例如，本实施例中的屏蔽仓室31采用金属材料制作，用来放置光信号接收机、电磁场变化接收机、GPS接收机以及大气平均电场接收机，能够有效屏蔽空间电磁场的干扰，同时起到防护和支撑的作用。当GPS接收机为PCI (Personal Computer Interface,外设互联标准)、PCIe (PC1-Express, PCI 总线的一种)或者 PXI (PCI extensions forInstrumentation,面向仪器系统的PCI扩展)类型的GPS接收机时,GPS接收机也可以直安装在综合控制平台中。
[0067]进一步的，集成探测天线单元以及屏蔽仓室31设置在防护罩32内，防护罩32主要对内部的器件起到防护以及支撑的作用；防护罩32的底部为系统托板33，系统托板33与中空支撑杆34的一端连接，中空支撑杆34的另一端与支撑底座35连接；中空支撑杆34和支撑底座35均采用不锈钢材料制作，中空支撑杆34的中空结构用于通过传输信号的同轴线，即与接收机单元21连接的同轴线穿过中空支撑杆34连接至综合控制平台；支撑底座35上面加工有固定孔，用于在架设(或布设时)时将整系统固定。
[0068]本实施例中还提供了 一种雷电监测预警方法；该雷电监测预警方法主要包括以下步骤:[0069]S1.探测待监测区域的大气平均电场、光辐射信号、电场变化信号、磁场变化信号以及GPS卫星信号并进行信号的调理以及转换；即集成探测天线单元中的大气平均电场仪、光辐射传感器、电场快变化传感器、磁场变化传感器以及GPS卫星接收天线分别探测闪电发生时的大气平均电场、光辐射信号、电场变化信号、磁场变化信号以及GPS卫星信号，并将探测到的信号发送至接收机单元，经过接收机单元调理后的光辐射信号、电场变化信号和磁场变化信号被直接传送到数据采集单元，大气平均电场数据被传送至测控单元进行处理，GPS卫星信号在通过GPS接收机之后直接传送到测控单元进行处理。
[0070]S2.综合控制平台中的数据采集单元根据电场变化信号判断电场变化量是否满足预设的触发条件:
[0071]若是，则进行信号的采集存储并执行步骤S3，若否，则刷新等待；
[0072]S3.综合控制平台中的数字处理单元对采集到的光辐射信号、电场变化信号和磁场变化信号进行波形特征提取，并根据提取的特征参量进行云地闪鉴别以及定位，同时输出闪电在地理信息系统中的位置、闪电时间以及闪电过程中光辐射信号、电场变化信号和磁场变化信号波形；测控单元可以实时采集并保存以及显示数字处理单元输出的闪电在地理信息系统中的位置、闪电时间以及闪电过程中光辐射信号、电场变化信号和磁场变化信号波形。
[0073]本实施例中，步骤S3中进行云地闪鉴别的方法进一步包括:
[0074]S311.确定电场变化信号的峰值位置；
[0075]S312.提取峰值位置的特征参量，若电场变化信号同时满足以下条件，则判定闪电为云地闪:
[0076](a) 0.5 μ s < 10%_90% 的上升沿时间< 15 μ s ;
[0077](b)电场峰值> 电场起始值的1.2倍；
[0078](c)下降沿过零时间> 5μ s ；
[0079](d)对于近距离闪电，具有对应的光辐射信号变化；
[0080]优选的，上述条件可以为:
[0081](a) 0.8 μ s < 10%_90% 的上升沿时间< 10 μ S ；
[0082](b)电场峰值> 电场起始值的两倍；
[0083](C)下降沿过零时间> 12μ s ;
[0084](d)对于近距离闪电，具有对应的光辐射信号变化；
[0085]其中，步骤S311之前还可以包括:对电场变化信号进行带通滤波，去除掉静电场的影响。
[0086]本实施例中，步骤S3中进行云地闪定位的方法进一步包括:
[0087]S321.在云地闪鉴别过程中获取回击位置，根据获取的回击位置计算光辐射信号、电场变化信号和磁场变化信号在回击位置处的峰值；
[0088]S322.根据正交的磁场变化信号的两个回击峰值进行比例运算，获得闪电回击通道的相对于监测点的方位角的正切值，通过反正切运算获得闪电回击通道相对于监测点的方位角，同时根据电场变化信号的正负来计算不同极性的回击造成的方位角模糊；
[0089]由于探测系统的正交磁场天线并不是绝对对称，其增益也不绝对一致，一般需要根据校准系数来修正系统误差带来的方位角误差；本实施例中，其具体计算公式如下:[0090]
[0091]
[0092]其中，N为正交磁场天线中线圈的匝数、S为线圈面积、H为磁感应强度，eM1和eM2分别为磁场天线探测到的电压值，k为修正系数。
[0093]取其比值的反正切，即ig—、kxe'."/ eu2) = φ (电场变化峰值小于O)或/洲 + φ
(电场变化峰值大于等于0)，得到所需的方位角。
[0094]S323.根据回击位置处光辐射信号的强度来进行初步距离判断:
[0095]若光辐射信号强度大于预设的阈值，则根据光辐射信号强度确定回击距离，回击距离与光辐射信号强度成反比，即:
[0096]D (回击距离)=K (标定系数)/L (L为光辐射信号强度)；
[0097]若回击光辐射信号强度不大于预设的阈值，则根据同步的电场变化信号以及磁场变化信号数据确定回击距离；例如:
[0098]首先将正交的两路磁场变化信号矢量合成一路磁场变化信号，将回击位置附近的电场变化信号和磁场变化信号进行傅里叶变换，根据回击发生时刻电场变化信号和磁场变化信号在Ik-1OkHz以及在60k-100kHz两个频率范围内的比值(设两个比值分别为A和B)来综合计算回击通道距离监测点的距离；
[0099]最终确定的回击距离D=k.B/A，其中k为修正系数。
[0100]S324.根据计算得到的方位角、回击距离以及监测点的经纬度信息，获取云地闪发生位置的经纬度；根据回击时的磁场变化信号强度和回击距离反演云地闪电流强度，输出云地闪回击电流强度信息。
[0101]S4.根据云地闪鉴别以及定位结果和大气平均电场幅值生成预警结果并根据预警结果发出警报信号。
[0102]本实施例中，步骤S4进一步包括:
[0103]根据云地闪定位结果和大气平均电场幅值，若云地闪发生位置到监测点距离大于距离阈值(可根据实际情况调节，例如，本实施例中可以是15km)且大气平均电场小于电场阈值(可根据实际情况调节，例如，本实施例中可以是lkV/m)，则单独根据云地闪定位结果生成预警结果；具体方法示例如下:
[0104]综合分析计算一定时间间隔内的云地闪位置的整体变化，判断雷暴的移动方向、移动速度以及所处的雷暴阶段，并根据定位结果中的回击距离信息计算到达监测点的时间；同时，根据定位结果给出的云地闪电流信息，判断雷暴的强度。综合上述得到的信息，按照距离监测点的远近给出距离监测点不同距离范围的较长时效性的2级预警结果。例如:25km<云地闪发生位置距离监测点<=50km，并且雷暴移动方向指向监测点，则发布I级警报；15km〈云地闪发生位置距离监测点<=25km，并且雷暴移动方向指向监测点，则发布2级警报；
[0105]若云地闪发生位置到监测点距离小于距离阈值(可根据实际情况调节，例如，本实施例中可以是15km)且大气平均电场幅度大于电场阈值(可根据实际情况调节，例如，本实施例中可以是lkV/m)，则根据大气平均电场幅度和云地闪发生位置到监测点距离的比值判断雷暴的强度，并根据大气平均电场变化判断所处的雷暴阶段，最终提供多级预警结果。具体方法示例如下:
[0106]如果8km〈云地闪发生位置距离监测点<15km,并且lkV/m〈大气平均电场幅度<2kV/m,则发布3级警报；如果4km〈云地闪发生位置距离监测点<8km，并且2kV/m〈大气平均电场幅度<5kV/m，预示着雷暴放电(闪电发生阈值条件)，则发布4级警报；如果云地闪发生位置距离监测点<4km，并且5kV/m〈大气平均电场幅度<8kV/m，则发布5级警报，对正在形成或逼近的雷暴预警；如果云地闪发生位置距离监测点<4km，并且大气平均电场幅度>8kV/m，则发布6级警报；如果云地闪发生位置距离监测点<4km，并且大气平均电场幅度>10kV/m，则发布7级警报。
[0107]最后，根据上面步骤中给出的7级预警结果信息，驱动音响及发光设备，以7级递增的频率进行警报。
[0108]本实施例中所提供雷电监测预警方法首先通过对大气平均电场、闪电发生时的光辐射、电场变化以及磁场变化信号的集成探测，获得雷电光电磁及大平均电场的多参量信号；在此基础上，综合利用光辐射、电场变化和磁场变化信号进行闪电的类型判断和发生位置确定，降低了干扰，提高了定位准确性；并且基于获得的定位结果，初步分析获得雷暴过程的移动方向、速度以及强度等特征信息，通过外推的方法能够获得正在发生在较远距离处的雷电预警结果；同时，基于定位结果和大气平均电场的阈值，能够获得较近距离处的雷电预警结果；综上所述，本发明提供的定位预警方法基于大气平均电场和闪电发生位置的综合判断，能够提高预警准确率，并且闪电发生位置的确定的采用了光电磁信号综合分析定位方法，提高了定位的准确度。
[0109]以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关【技术领域】的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。
【权利要求】
1.一种雷电监测预警方法，其特征在于，包括步骤: 51.探测待监测区域的大气平均电场、光辐射信号、电场变化信号、磁场变化信号以及GPS卫星信号并进行信号的调理以及转换； 52.根据电场变化信号判断电场变化量是否满足预设的触发条件: 若是，则进行信号的采集存储并执行步骤S3，若否，则刷新等待； 53.对采集到的光辐射信号、电场变化信号和磁场变化信号进行波形特征提取，并根据提取的特征参量进行云地闪鉴别以及定位，同时存储以及显示闪电在地理信息系统中的位置、闪电时间以及闪电过程中光辐射信号、电场变化信号和磁场变化信号波形； 54.根据所述云地闪鉴别以及定位结果和大气平均电场幅值生成预警结果并根据所述预警结果发出警报信号。
2.根据权利要求1所述的雷电监测预警方法，其特征在于，所述步骤S3中，进行云地闪鉴别的方法包括: 5311.确定电场变化信号的峰值位置；5312.提取所述峰值位置的特征参量，若电场变化信号同时满足: (a)0.5μ s < 10%-90% 的上升沿时间< 15 μ s ; (b)电场峰值>电场起 始值的1.2倍； (C)下降沿过零时间> 5 μ s ; (d)对于近距离闪电,具有对应的光辐射信号变化； 则判定闪电为云地闪。
3.根据权利要求2所述的雷电监测预警方法，其特征在于，所述步骤S311之前还包括:对电场变化信号进行带通滤波，去除掉静电场的影响。
4.根据权利要求2或3所述的雷电监测预警方法，其特征在于，所述步骤S3中，进行云地闪定位的方法包括:5321.在云地闪鉴别过程中获取回击位置，根据获取的回击位置计算光辐射信号、电场变化信号和磁场变化信号在回击位置处的峰值；5322.根据正交的磁场变化信号的两个回击峰值进行比例运算，计算闪电回击通道相对于监测点的方位角，根据电场变化信号的正负来计算不同极性的回击造成的方位角模糊；5323.根据回击位置处光辐射信号的强度来进行初步距离判断: 若光福射信号强度大于预设的阈值，则根据光福射信号强度确定回击距离；若回击光辐射信号强度不大于所述预设的阈值，则根据同步的电场变化信号以及磁场变化信号数据确定回击距离； 其中，根据同步的电场变化信号以及磁场变化信号数据确定回击距离包括: 将正交的两路磁场变化信号矢量合成一路磁场变化信号； 将回击位置附近的电场变化信号和合成的磁场变化信号进行傅里叶变换； 根据回击发生时刻电场变化信号和合成的磁场变化信号在第一频率以及在第二频率范围内的特定频点处的比值A和B综合计算回击通道距离监测点的距离D=k.B/A，其中k为修正系数；5324.根据计算得到的方位角、回击距离以及监测点的经纬度信息，获取云地闪发生位置的经纬度；根据回击时的磁场变化信号强度和回击距离反演云地闪电流强度。
5.根据权利要求4所述的雷电监测预警方法，其特征在于，所述步骤S322之后还包括: 根据校准系数修正系统误差带来的方位角误差。
6.根据权利要求4所述的雷电监测预警方法，其特征在于，所述步骤S4进一步包括: 根据云地闪定位结果和大气平均电场幅值，若云地闪发生位置到监测点距离大于距离阈值且大气平均电场小于电场阈值，则单独根据云地闪定位结果生成预警结果； 若云地闪发生位置到监测点距离小于距离阈值且大气平均电场幅度大于电场阈值，则根据大气平均电场幅度和云地闪发生位置到监测点距离的比值以及云地闪电流信息判断雷暴的强度，并根据大气平均电场变化以及云地闪的时间分布规律判断所处的雷暴阶段，最终提供多级预警结果。
7.一种雷电监测预警系统，其特征在于，包括:依次连接的集成探测天线单元、接收机单元以及综合控制平台； 所述集成探测天线单元，用于探测待监测区域的大气平均电场、光辐射信号、电场变化信号、磁场变化信号以及GPS卫星信号并发送至所述接收机单元； 所述接收机单元，用于将接收到的信号进行调理后发送至所述综合控制平台； 所述综合控制平台，用于综合处理以及分析接收到的信号得到预警结果并根据所述预警结果发出警报信号。
8.根据权利要求7所述的雷电监测预警系统，其特征在于，所述集成探测天线单元包括分别连接至所述接收机单元的大气平均电场仪、光辐射传感器、电场快变化传感器、磁场变化传感器以及GPS卫星接收天线。
9.根据权利要求8气平均电场仪连接的大气平均电场接收机、与所述光辐射传感器连接的光信号接收机、与所述电场快变化传感器以及磁场变化传感器连接的电磁场变化接收机以及与所述GPS卫星接收天线连接的GPS接收机。
10.根据权利要求7-9任意一项所述的雷电监测预警系统，其特征在于，所述综合控制平台包括: 数据采集单元，用于对所述接收机单元输出的信号进行模数转换；并在满足触发条件时:采集转换后的光辐射信号、电场变化信号和磁场变化信号并发送至数字处理单元，同时为GPS接收机提供触发信号； 数字处理单元，用于对接收到的光辐射信号、电场变化信号和磁场变化信号进行特征提取，并根据提取的特征参量进行云地闪鉴别以及定位，同时输出特征参量以及鉴别和定位结果至测控单元； 测控单元，用于管理所述数字采集单元以及数字处理单元；存储以及显示闪电在地理信息系统中的位置、闪电时间以及闪电过程中光辐射信号、电场变化信号和磁场变化信号波形；分析雷暴活动的趋势，并融合大气平均电场数据生成预警结果； 预警预报单元，用于根据所述测控单元的预警结果，输出对应预警级别的警报信号。
【文档编号】G01R31/00GK103472342SQ201310452874
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月25日 优先权日:2013年9月25日
【发明者】张阳, 孟青, 张义军 申请人:中国气象科学研究院