闪电定位仪原理介绍和日常维护

安徽省气象技术装备中心 技术保障科

一、 LD-II 型闪电定位仪原理

目前国际上应用的雷电定位系统主要有两种，一种是磁方向探测系统，另一种是时差法系统，后者的定位精度远远高于前者，而且目前时差法所依赖的精密时统技术因为 GPS 的实用而得到了解决，目前时差法系统将成为主流的雷电定位探测设备。 LD-II 型就属于时差法系统。目前我省有 10 个子站 + 省台中心站构成闪电定位监测网络。

1 、定位原理 设有三个接收机 R1 、 R2 、 R3 分别布置在不同的点， R1 、 R2 、 R3 均被同步在同一时差系统上，当在 t0 时刻，在 L 处发生了一个雷击，该雷击所辐射的电磁脉冲信号到达各站的时刻分别是 t1 、 t2 、 t3 ，则 t2-t1=(t2-t0)-(t1-t0)=(R2L-R1L)/C, 其中C 为光速， R2L 和 R1L 为 R1 、 R2 两站到该雷击点的距离差，若求得 t2-t1 ，则雷击点也必然位于等距离为 R2L-R1L 的一条双曲线 AB 上，这样，对于 R3 、 R2 来说也可以测得 t3-t2 而得到相对应的另一条双曲线 CD ， AB 与 CD 的交点就必然是雷击发生的位置，这样就把定位问题变成了测量信号到达不同接收站的时间问题。

R1

R2

R3

C

DA

B

2 、探测原理 当雷击发生时，其巨大的瞬间回击电流会产生一个很强的电磁脉冲辐射，它以光速向四周传播，雷电定位仪的正交天线接收到雷击电磁脉冲的甚低频（ very low frequency ) 信号，并以信号的峰点位置作为信号到达时刻的参考点，记录下电磁脉冲到达该接收点的时间，定位仪的正交磁场天线接收的磁场信号经电路处理后得到磁场的东西和南北分量 Bew 和 Bns ，用于场强计算，由所接收到的信号场强和脉冲电磁波传播的规律还可以推算出雷击电流的大小和极性。

3 、监测网络构成

铜陵（子站1 ）

阜阳（子站2 ）

滁州（子站3 ）

……………

省台中心站

完成对子站数据采集，状态监测和 产品数据 web 发布等。

VPN 网络

二、子站硬件构成

中央处理系统

电源系统 10M 恒温晶振

GPS 授时系统正交天线信号处理放大电路

串口隔离驱动模块

串口隔离驱动模块

NP5110

Hub(VPN 接入）

高精度电源净化系统

RS232 通讯（三线制）

RJ45 插头

1 、电源系统

电源板

将室内由净化电源所送来的市电转换成 10M 晶振、中央处理系、信号处理放大板、 GPS 授时系统等各个模块所需要的正、负直流电压，并且用发光二极管来指示当前子站的工作状态。

2 、天线正交天线

感应雷击时所产生的脉冲电磁场的甚低频信号，将之传送信号方法处理电路。

3 、信号处理放大电路以及中央处理系统

信号处理放大电路、中央处理系统

信号处理电路对天线对外界的雷击脉冲电磁场所感应到的微弱信号进行放大，为减低对中央处理部分的干扰，它与中央处理电路之间用金属板隔开，中央处理电路完成雷电发生时的精确时间、雷电相关数据的计算，并配合中心站完成数据传输。

4 、串口隔离驱动模块

室外串口隔离驱动模块

它的作用是对中心站所发送过来的数据进行有效的隔离和驱动，原理和 I 型自动站所用的串口隔离器相同，经过模块驱动后，中央处理系统的数据传输可达到 2KM 。

5 、 10M 恒温晶振

它的内部带有温度自我调节装置，能稳定输出频率为 10M 的方波信号，这样，系统在理论上的时间分辨率为 10-7秒，所以，整个系统在理论上的空间定位误差为 300米

6 、 GPS 授时系统 采用高精度授时型 GPS 系统，这样在 10M 晶振的共同作用下就可以精确记录雷击发生时的精确的时间。

GPS 天线

7 、室内串口隔离驱动模块

串口隔离驱动模块

它的作用是将室外中央处理系统所采集到的数据通过串口接收时进行有效的隔离和驱动，原理和 I 型站串口隔离器相同。

8 、 NP5110 模块

RJ45 接头，接 Hub

九座 RS232串口接头，连接室外中央处理系统

它的作用是将室外中央处理系统所采集的雷电数据以及精确的时间信息从串口数据转化成 TCP/IP 数据包，这样中心站通过 VPN网络就可以及时获得子站的数据，其实质性原理就是将子站整个系统当作中心站服务器上的一个虚拟的串口。它需要一个固定的 IP地址，不要随意更改。

10 、高精度净化电源

净化电源控制器 开关 防雷器

对市电输入能起到一个很好的净化作用，最低限度减小由于市电的波动而造成的对室外采集系统所造成的影响，同时配有防雷器，起到对电网的防雷作用。

三、中心站服务器 中心站根据子站所配置的 NP5110 模块的 IP地址，利用软件来把子站的 IP 对应成中心站的一个虚拟的串口，中心在每秒种的前几百豪秒时间通过这些虚拟的串口（实际上是通过子站的 IP ）来收集每个子站的数据，并利用优化算法来自动找出三个比较好的子站的数据来完成对一次闪电的定位。同时中心站软件不断接收子站的自检数据，中心站软件在处理这些数据后存入到 Access 数据库中，同时为发布产品数据，利用比较流行的 web平台，在 web平台上可以实现类似 GIS 系统某些功能的图象放大和漫游，并提供了产品历史数据的查询功能。

Http://172.21.81.21

四、日常维护和注意事项 *NP5110 模块为一商业化模块，其配置软件可以从网上下载，由于子站和中心站通讯是通过 VPN 网连接的，如果出现网络结构更改的话，请重新配置 NP5110 模块的 IP地址，平时请注意不要出现网内的计算机无意中抢了 NP5110 模块的 IP地址而造成子站和中心站通讯失败。

*如果出现系统死机，请把室内单元的精密电源净化系统的市电入口处的空气开关扳下后在扳上，进行系统复位。

* 定期检查 NP5110 模块的小的工作直流电源是否正常。

*NP5110 模块从市场上买来后里面需要跳线，以给室内的串口各类驱动模块供电。

谢 谢！