DNDY雷电监测预警系统 基于DNDY地面电场仪和ADTD闪电定位网 的雷电监测 ...

DNDY雷电监测预警系统 基于DNDY地面电场仪和ADTD闪电定位网 的雷电监测 ... 闪电数据由全国或者各省闪电定位网数据处理中心分批发送。 雷电监测预警系统软件分为单站和多站两种：多站主要是 提供对大面积范围内的综合观测，如一个中等以上城市 的监测预警中心；单站应用于安装地面电场仪的当地， 对其周边一定范围内的雷暴进行监测和预警。 雷电短时预警预报可有效减少因雷击造成的损失，可以为 相关行业提供短时防雷信息服务 DNDY雷电监测预警系统是一套基于地面电场仪和 闪电定位网的雷电监测和预警系统 我们承担建设完成了覆盖全国24个主要雷击区域省市的闪电 定位网，并有全国统一数据处理中心站提供综合定位数据 在已有闪电定位网建设经验的基础上，我们研制了DNDY型地面 电场仪系统，并将其探测数据和全国闪电定位数据相结合， 应用于短时雷电预警当中，大大提高了雷电预警的的精度 在此基础上我们提出了综合两种探测手段进行短时雷电 预报的方法，设计了DNDY雷电监测预警系统软件 进一步，我们提出了综合全国闪电定位网、地面电场仪、 天气雷达多种探测手段，进行雷电预警的方法 一、ADTD闪电定位网介绍 ..................................... 5 二、DNDY地面电场仪介绍 ..................................... 7 1、电场仪对雷电进行预警原理介绍 ......................... 7 2、DNDY型地面电场仪介绍 ................................ 8 3、系统各模块介绍 ...................................... 10 4、电场仪设置及故障检测 ................................ 13 5、电场仪性能参数 ...................................... 14 6、电场仪的安装 ........................................ 15 三、DNDY雷电监测预警系统预警方法介绍 ....................... 16 四、引入天气雷达进一步提高报警的可行性 ..................... 21 五、DNDY雷电监测预警系统软件介绍 ........................... 23 六、DNDY雷电监测预警系统应用范围 ........................... 25 ADTD闪电定位系统是一套云地闪探测系统，能够实时对云地闪的 发生位置进行定位。 闪电发生的时候都会向外辐射电磁波，通过人们对大量观测数据 的统计发现，云地闪辐射的电磁波有其固有的特征，正是基于这一原 理，通过设置多个探测点，检测波形特征点到达每个探测站的准确时 间，从而实现对云地闪的精确定位。ADTD闪电定位仪通过设定阀值、 波形前沿时间、波形后沿时间、多峰干扰、尖峰干扰、反峰干扰六个 特征判据将云地闪信号选出来，记录主峰到达的精确时间，将数据发 送到远程中心站进行多站综合定位处理。 图1 云地闪波形 如上图所示。六个波形判据为：阀值根据探测仪站点周围环境确 定，特征值为100mV；波形前沿 ?18us，波形后沿 ?10us；尖峰干扰 ?25% 主峰，多峰干扰 ?125% 主峰，反峰干扰 ?115% 主峰。当一个电磁波信号的波形满足以上六个判据以后，系统就认为这是一个云 地闪放电辐射出的信号。通过以上六个波形判据，可以滤除95%以上的 电磁波干扰信号和80%以上的云间闪信号。通过的云地闪信号再经过采 集电路，将主峰到达的精确时间，信号波形的前沿陡度、极性、强度 记录下来，交送数据处理单元进行运算处理。 下示ADTD闪电定位系统的系统参数： 探测效率80％－90％ 探测范围0—600ＫＭ、平均300KM 测向精度理论随机误差是0.5度 时间精度相对世界时130ns，探测仪之间小于50 ns 回击分辨率云地闪为3ms，云闪1ms 运行环境环境温度：-40度到+55度 工作温度：-40度到+80度 相对湿度：0-100% 降雨：7.6cm/hr 在风速为65km/h 无故障时间30000小时以上 表1 ADTD闪电定位系统参数 下图是目前ADTD闪电定位网的站点分布： 图2 ADTD闪电定位网站点分布 地面电场仪是直接安装在地面上进行电场测量的。如图1所示，与云底部相反的电荷会被地面电场仪感应到，而在地面电场仪灵敏度 范围内，地面电场仪上的感应电荷强度与云底部附近的电荷成正比， 因此地面电场仪可以帮助我们实时探测其周围地区的大气电场信号。 图3 雷雨云产生的大气电场 太阳风、等离子体以及磁气圈中地磁场的交互作用，形成了太阳 风与磁气圈之间的大气电场层。正常条件下，大气电场强度为每米几 百伏，但是暴风雨的来临能推进大气电场强度到每米几千伏。在晴朗 的天气里，电场强度范围是：+500V/m到-500V/m。接近雷暴的时候， 电场强度随着闪电能量的增加而逐渐增加。电场强度达到+/-2KV/m，说明闪电的能量高。而当雷暴产生时，大气电场强度能增大到15KV/m以上。由于这个变化过程较为缓慢，大概需要30分钟左右的时间，所 以我们可以使用地面电场仪来了解其周围地区雷暴的发展活动状况， 并预测严厉暴风雨的可能性。 DNDY型地面电场仪是一种高集成度的探测设备，室外设备直接将 探测结果进行AD转换，通过串口传给远程通信模块。室内的通信模块 将收到的数据实时发送到远程终端进行显示。如下图所示： 图4 DNDY地面电场仪结构框图 室外探头主要包括电源和探头两部分。探头负责对地表附近的大气 电场进行测量，在完成一次数据采集以后将转换结果打上时标发送出 去。电源部分主要完成对探头进行供电，电路板上的指示灯显示电源 和数据发送是否正常。此外，电源部分还包括对市电和串口的防雷， 抵抗因雷击或电网中大功率设备通断电产生的浪涌侵袭，保护设备不 受损坏。 室内设备主要是通信部分，负责将探测数据通过网络发送到当地或 远程显示终端。通信模块可选有线和无线两种，如果是无线，则可将 传输模块放到电源盒里面，从而省去了中间的通信传输线。 此外，在供电不方便的地方，还可选则太阳能供电。下面是DNDY地面电场仪的带太阳能电池板的三维视图和实物照片： 图5 DNDY地面电场仪三维视图和实物照片 仪器结构采用三维实体设计软件进行设计，保证各部件装配的顺 利。连接处采用硅胶密封圈进行密封，外表喷白色烤漆，连接螺钉均 选用不锈钢件，保证设备长时间室外运行之后外表依旧如新。 1、电源模块 图6 电源板 如上图所示，电源电路板位于基准板下面的电源盒内。其中电源 选用现成的模块电源，能够实现宽电压输入（85V-265V）和高精度输出（浮动〈3%）。另外电源防雷采用可插拔式设计，方便更换。室外到 室内的连接线路采用4芯多重屏蔽电缆，两路供电线，两路通信。电 源和仪器舱之间采用6芯排线连接，三路供电，三路通信。 2、电路部分 图7 数字电路板 如上图所示。数字板是整个系统的核心，负责对模拟电路的输出 信号进行AD转换，以及指示系统的工作状态。所有元件均选用工业级 以上器件，使系统工作环境温度在-25?到60?。 图8 前置放大电路 上面是前置放大电路，负责将感应片上的信号进行放大、检波、 同步、整流处理，最后输出直流信号给数字电路进行AD转换。 3、数据传输模块介绍 数据传输可选有线（nport）和无线(CDMA)两种，负责将探测数据 发送到有固定IP地址的终端进行显示。 图9 Nport5110 上图为nport。第一盏灯为电源，正常时常亮；第二盏灯为网络， 正常时为常亮；第三盏灯位串口指示，正常时为每10秒闪一次。 图10 CDMA DTU 上图为CDMA无线数传模块。第一盏灯为网络，当有CDMA网络的时候会不断的闪；第二盏为电源，接通电源以后常亮；第三盏为网络， 当入网以后常亮；第四盏为数据指示，正常时每10秒闪一次。 1、拨码开关 为了区分是哪个电场仪发送的数据，在数字电路板上采用一个 8bit的拨码开关作为设备的编号，嵌入到发送字段的固定位置。因此， 一个多站点中心显示终端最多可以接收256个电场仪的数据。 2、电场仪发送数据帧格式 电场仪远程数据传输采用UDP方式。由于没发送一次数据，因IP包头和UDP包头产生的字节数就多达60个左右，为了减少数据流量， DNDY地面电场仪每采集10秒数据发送一次。下面是数据帧格式： 序数据名称 数据内容 数据字节偏移 号 类型 数 量 1 FrameStartID1 帧起始标志第一字节(EBH) byte 1 00H 2 FrameStartID2 帧起始标志第二字节(90H) byte 1 01H 3 NumberFlag 地面电场仪编号标志位(16进制) byte 1 02H 4 GPSFlag GPS成功定位标志（ASIC码） byte 1 03H 5 Hour UTC时间的小时值（ASIC码） byte 2 05H 6 Minute UTC时间的分钟值（ASIC码） byte 2 07H 7 Second UTC时间的秒值（ASIC码） byte 2 09H 8 Day UTC时间日（ASIC码） byte 2 0BH 9 Month UTC时间月（ASIC码） byte 2 0DH 10 Year UTC时间年（ASIC码） byte 2 0FH 11 E_Filed 连续十秒的电场值(16进制) byte 20 23H 12 FrameEndID1 帧结束标志第一字节(0DH) byte 1 24H 13 FrameEndID2 帧结束标志第二字节(0AH) byte 1 28H 帧长度 38字节 表2 DNDY地面电场仪输出数据帧格式 3、电场仪故障检测 当显示终端没有数据以后，进行如下步骤的检测： 首先，看通信模块是否工作正常，是否每10秒闪烁一次。如果正 常，则需要检查网络和显示终端电脑的防火墙设置是否正常。如果没 有10秒闪烁，则进入下一步检测。 接下来看探头的叶片是否转动，如果不转，则先检查室内供电是 否正常。如果室内供电正常，则需要打开电源盒，看电源板上的三盏 灯是否工作。若上两盏常亮且第三盏每10秒闪一次，这证明从室内到 室外的线路出现了问题。如果电源灯都不亮，则检查防雷模块是否完 好。如果电源正常而第三盏灯没有10秒闪烁，则进入下一步检测。 最后打开玻璃钢罩，看数字电路板上的四盏灯的状态。正常时mcu常亮，表示单片机在工作；gps和ad每秒闪一次，分别代表一次GPS信息的读取和一次AD转换的结束；tx每10秒闪一次，说明完成一次 发送。如果四盏灯不正常，则说明数字电路板出现了问题，需要更换。 操作参数 输入范围 -50KV/m到+50 KV/m 模拟输出 -2.5V到2.5V 输出波特率 固定4800波特率 信号接口 9芯232接口 精确度 <20V/m 环境 温度:-20?到60?，湿度：0%-100%，场地平坦空旷 测量准确性 5% 可靠性 100%告示电场变化 错误报警 30% 响应时间 1秒 电参数 电机角速度 1000r/m 电源提供 12V、5V AC/DC模块供电 电力消耗 <2W 设备物理参数 高度 1500mm 质量 5kg 图11 电场仪安装基座 电场仪应尽量远离能够产生静电干少的设备，如电器，马达，高大 金属物体等。各站点具体位置一般设在观测场，地线直接和观测场地网 相连，电源通讯线通过地沟引到观测站，数据再通过网络转化接口接入 系统网络，电源直接和观测站电源连接。 DNDY雷电监测预警系统的预警方法如下： 1、电场报警应以电场强度到达的门限等级、初始阶段是否有 快变抖动为判断的。 2、闪电报警以闪电发生的位置和电场仪之间的距离为参考。 3、综合两种报警手段，再结合人工判断雷电的移动趋势和对 报警提前时间的要求，以及结合电场仪安装的位置和本地的地形条 件等因素，适当改变报警等级，实现更准确的雷电短时预警。 下面是一些雷暴过程中电场和闪电的探测数据： 图12一次正闪雷暴过程中电场探测结果 图13一次负闪雷暴过程中电场探测结果 图14 一次无前期快变抖动的雷暴过程探测结果 图15 未发展成雷暴的电场探测结果 通过以上几个典型雷暴过程中地面电场的变化我们看到，电场 仪可以作为一种行之有效的观测手段应用于短时雷电预警当中。 推荐的电场门限为2kV/m、5 kV/m、8 kV/m、12 kV/m、15 kV/m五级报警。在开始阶段的电场抖动可有效地减少误报的机会，如图 15，由于整个过程没有电场快变抖动出现，因此可以将电场报警门 限提高一个等级，这样在整个过程中，都不会去报警。而在图14种，由于阶段1没有抖动出现，电场达到5kV/m，但仍维持1级报警；直到阶段2的中期，出现了抖动，则恢复报警，电场报警等级 达到了3级。我们看到，加入快变抖动不会出现漏报现象。 下面是电场和闪电探测数据的对比分析： 图16 玉溪市一次雷暴中的电场和闪电探测数据 图17 云南安宁一次正闪雷暴过程中的电场和闪电探测数据 图18 版纳一次一次雷暴过程中的探测结果 从以上事例中我们看到，将电场资料和闪电资料结合，不仅能够 更加直观的对雷电的活动状况进行实施监测，同时可大大提高短时预 报的准确性。我们以电场仪为中心画5km、10km、20km、50km的四个圈，落雷位置离电场仪越近，闪电报警等级越高，这样闪电一共有4级报警。 综合闪电和电场，我们一共可以得到最多9级的报警等级。一般 来讲，视应用场合的不同，在综合报警达到5级以后报警，可提前30分钟预警。当综合报警达到6、7级的时候，就说明在电场仪5km的范围内在10分钟以内很可能发生闪电。 下表为通常状况下（电场仪安装在平原地区的开阔平地上）报警 等级和报警（电场仪10公里范围内发生闪电）成功率： 综合报警等级 4 5 6 7 报警成功率 〉60% 〉70% 〉80% 〉90% 报警提前时间（分钟） 40 30 20 10 表3 电场仪报警等级划分 下面是云南玉溪一架运5飞机失事时的多种探测数据分析： 图19 坠机点准确位置 8:59雷达图 9:07雷达图 9:15雷达图 9:30雷达图 9:40雷达图 9:53雷达图 图20 闪电和电场探测数据 从以上探测数据中我们发现，天气雷达资料相比闪电定位网， 能够更直观的了解一次天气过程的移动趋势，但它的缺点是不知道 闪电发生的具体位置，这就给数据叠加增加了难度。因此，我们提 出，以电场预警为基础，根据闪电定位网探测到的地闪落雷点，改 变报警等级；人为判断电场的变化是否出现了快变抖动，并结合雷 达云图，根据云团的移动方向，在综合考虑地形、应用场所等因素， 适时改变报警等级，达到更加精确预警的目的。 图21 软件主界面 图22报警阀值设置界面 图23 数据回放界面 图24 电场数据回放显示界面 短时雷电监测预报系统不仅能实现对近距离雷暴的预警，同时 还可以监测电场仪周边一定距离范围内的闪电发生状况。由于观测 人员能够同时很直观地看到闪电的移动趋势和电场的变化，因此， 比起以往仅靠地面电场来对雷暴进行预警。DNDY雷电监测预警系统 能够让观测人员更直观地了解雷暴的发展状况，从而实现更准确的 短时预报。 各子站的闪电数据由省一级的闪电定位网数据处理中心站统 一分发。目前全国大部分省市的闪电定位网已由试验阶段转入业务 运行阶段，数据稳定可靠。而且，全国闪电处理中心将全国探测站 的综合定位结果实时发送给各省的防雷中心，这大大提高了闪电定 位网在各省边界地区的定位精度。 DNDY型地面电场仪是一种高集成度的产品，设备安装简便，易 于维护维修。仪器机加工大部分采用数控加工，保证各部件的尺寸 精度和互换装配要求；仪器舱各连接处用硅胶密封圈进行密封，防 水性能绝佳。电路部分元器件均选用工业级和军品的器件，保证能 够在宽温度范围内长时间稳定可靠运行，系统平均无故障运行时间 达到了一年以上。 因此，DNDY雷电监测预警系统是一套稳定可靠的系统，只要保障设备的供电正常和网络的畅通，系统就可以长时间稳定运行。 DNDY雷电监测预警系统可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的短时雷暴监测和预 报。在得到预警信息以后，现场操作人员可根据实际情况，决定采 取相应的措施。如撤离现场人员、暂时关闭正在运行的设备、取消 计划的作业、提醒操作人员采取相应的避雷措施等。 相比单靠地面电场仪对雷电进行短时预警，DNDY雷电监测预警系统能够实现更精确、更直观地观测和预报。通过一定时间的经验 积累，可以使观测人员对雷暴的局部活动习性有一个更加深刻的了 解，为小尺度雷暴活动与地面电场关系的研究提供准确的资料。 目前全国闪电定位网在气象系统只是应用于雷击事故分析、雷 暴分布研究中，没有真正意义上的业务运行方式。DNDY雷电监测预警系统中的闪电定位数据需要由各省的雷电定位网中心站提供，因 此一旦将该系统在电力、民航、旅游景区等推广，便可以为闪电定 位网开辟一条全新的应用途径。 从另一方面来讲，对于雷击比较敏感的单位，由于人工观测毕 竟存在着很大的局限性，且误判率比较高，不能作为一种科学的手 段指导工作。而DNDY雷电监测预警系统能够实时提供更科学、更 准确的雷电预警信息，能够有效的减少人员和财产的损失，在保障 生产安全的前提下，将因雷击造成的经济损失降到最低。 建立有效的短时雷电预警系统，对整个社会也是一个很大的贡 献。目前一个电场仪可以对半径10公里范围内的闪电进行预警， 这样的话可以像发布短期灾害性天气预报一样发布短时雷电预警 信息，让人们及时采取必要的防护措施，如关闭手机、家用电器， 不在易受雷击的场所逗留等，将能够有效的减少因雷击对人民生命 财产造成的损失。因此建立雷电短时监测预警系统有着很大的社会 效益。 此外，由于安装该系统以后，各站点就会实时接收当地的闪电数据，在发生雷击事故以后，还可以利用该系统查询分析事故的原 因。 1、为油库、电力部门、大型办公场所、室外运动场、学校等提供如手机短信或广播形式的预警信息。如建立以电场仪为中心一 定距离范围内建筑的详细信息数据库，根据不同部门对防雷安全要 求的不同，在不同的危险等级为相应的部门提供短时雷电预警信息 服务。 2、为社会提供公益预报服务。如在电视台或广播台的短时天气预报中发布短时雷电预警信息，提醒广大市民采取相应的防雷措 施。 3、森林防火中的应用。在林区安装多个地面电场仪，通过多站雷电监测预警系统监测各点雷暴发生的可能性，在防火重点区域 提前采取措施，保证一旦发现火点，能够及时采取行动，避免火势 进一步扩大。