闪电定位仪讲解

《气象仪器》课程论文题目简易闪电定位仪系电子与信息工程

专业电子信息工程

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学号

二Ｏ一三年一月二日

目录

1引言 (3)

2系统设计 (3)

2.1闪电的放电过程和描述参量 (3)

2.2闪电的平面方位角计算 (5)

2.3闪电的平面距离计算 (6)

2.4系统整体框图 (7)

3硬件设计 (7)

3.1数据采集卡 (8)

3.2电源模块 (8)

3.3数据选择器电路 (9)

3.4I/V转换电路 (9)

3.5比较器电路 (10)

3.6计数器电路 (10)

3.7D/A转换电路 (11)

4软件设计 (11)

5总结 (12)

6参考文献 (13)

简易闪电定位仪

张蕾

南京信息工程大学电子与信息工程系，南京 210044

摘要：本文利用光学方法，研究和分析雷电发生时各物理量的统计特征，从而设计了一个闪电定位系统。文中提出了加权定位和向量定位两种新的定位算法, 均能够应用于光电法闪电定位系统，实现闪电定位计算。本文简述了光电法闪电定位系统的硬件组成,介绍了包括闪电光强度电压信号处理、雷声识别、闪电的平面方位角计算,以及闪电距离计算等功能模块的设计，其中，主要介绍了闪电光强信号的获取及处理部分。本文还简要介绍了闪电定位系统的原理及其意义。

关键词：光电检测；闪电定位系统；光强信号；定位方法

1 引言

闪电是指积雨云中不同符号荷电中心之间的放电过程，或云中荷电中心与大地和地物之间的放电过程，或云中荷电中心与云外大气不同符号大气体电荷中心之间的放电过程。闪电的主要特点是:电流大，电流高达几万至几十万安培;时间短，雷击过程只有几十微秒;电压高，强大的电流产生强大的磁场，形成很高的感应电压。一次闪电中正电荷与负电荷中和的数量直接反应一次闪电释放出的能量，也就是一次闪电的破坏力。由于闪电的放电时间短，在短短的几十微秒内把雷暴云蕴藏的能量释放出来，所以破坏力很强。雷电对人类而言是一种严重的自然灾害，主要表现为雷电所造成的雷击具有极大的破坏性，雷电的破坏作用是综合的，包括热效应、电动力效应、机械效应、冲击波效应、静电感应效应以及电磁场效应的破坏。雷电电荷在传导放电的过程中，产生很强的雷电电流，一般会达到几十千安培，有时会达到几百千安培，能产生几千、几万甚至几百万伏高压，足以让人畜毙命，电气设备毁坏。雷电通道的温度可达到5万华氏度，比太阳表面的温度还要高，能使金属熔化，易燃物体高温起火。闪电产生的静电场变化、磁场变化和电磁辐射，严重干扰无线电通讯和和各种设备的正常工作，是无线电噪声的重要来源，在一定范围内造成许多微电子设备的损坏。全球平均每年因雷击灾害造成的损失在10亿美元以上，已成为国民经济发展的严重障碍。闪电定位仪能提供长期的、大范围的、准确的雷电位置、雷电强度等参量，这些雷电参量可用于进一步研究雷电的放电过程和雷电活动的气候规律。雷电监测定位资料的积累和雷电活动规律的研究，除了可以为正常的天气现象提供基本的历史资料，更可试试显示雷电的发生发展，甚至可以为雷电的预报报警服务。

2 系统设计

2.1闪电的放电过程和描述参量

要想设计和研究雷电监测定位系统,首先必须了解闪电的机理,下面对闪电的具体形成过程和相关物理参量进行简要叙述。闪电放电过程可以概括为：云层电荷形成电分布→初始

击穿→梯级先导→联接过程→第一回击→K过程→J过程→直窜先导→第二回击。

(l)闪电的初始击穿:通常在含云大气开始击穿的初期,在积雨云的下部有一负荷电中心与其底部的正电荷中心附件局部地区的大气电场达到104v/cm左右时,则该云雾大气会初始击穿,负电荷向下中和掉正电荷,这时从云下部到云底部全部为负电荷区。

(2)梯级先导过程:随大气电场进一步加强,进入起始击穿的后期,这时电子与空气分子发生碰撞,产生轻度的电离,从而形成负电荷向下发展的流光,表现为一条暗淡的光柱向梯级一样逐级伸向地面,这称之为梯级先导"在每一梯级的顶端发出较亮的光。

(3)电离通道:梯级先导向下发展的过程是一电离过程, 在电离过程中生成成对的正、负离子,其正离子被由云中向下输送的负电荷不断中和, 从而形成一个负电荷为主的通道,称为电离通道或闪电通道。

(4)回击:当梯级先导与连接先导会合,形成一股明亮的光柱,沿着梯式先导形成的电离通道由地面高速冲向云中,这称为回击。回击比先导亮得多，回击具有较强的放电电流,因而发出耀眼的光亮。由梯级先导到回击这一完整的过程称为第一闪击。从地面向上发展起来的反向放电,不仅具有电晕放电,还具有强的正流光,它与向下先导会合,其会合点称连接点,有时称之为“连接先导”的向上流光。

(5)箭式先导:紧接着第一闪击之后,约经过几十毫秒的时间间隔,形成第二闪击。这时又有一条平均长为5Om的暗淡光柱,沿着第一闪击的路径由云中直奔地面,这种流光称为箭式先导。箭式先导是沿着预先电离了的路径通过的,它没有梯式先导的梯级结构。当箭式先导到达地面附件时,又产生向上发展的流光由地面与其会合,随即产生向上回击,以一股明亮的光柱沿着箭式先导的路径由地面高速驰向云中。由箭式先导到回击这一完整的放电过程称为第二闪击,第二闪击的基本特征与第一闪击是相同的,而以后各次闪击的情况与第二闪击的情况基本相同。由一次闪击构成的地闪称为单闪击地闪,由多次闪击构成的地闪称为多闪击地闪,第一次闪击后的各闪击称为随后闪击。

闪电放电过程的描述参量如下所示，

(l)闪电放电时间与回击放电的时间:每次闪电的持续时间主要由回击数决定,闪电持续的时间一般在l秒以内,平均在0.2秒左右。一个回击的持续时间一般小于0.1毫秒,回击和回击之间时间间隔一般为3一380毫秒,平均值是50一70毫秒。雷电定位系统所测定的闪电发生时间是一般指回击放电产生的光脉冲的第一个峰值到达探测站的时间,它等于回击发生的时刻加上传播时延。

(2)闪电的回击数:通常一次地闪由2到4次闪击构成,一般超过10个回击的闪电数量很少,个别地闪的闪击数可达26次之多。

(3)雷电发生的位置:闪电通道长度一般有几公里,但有时也有长约十几公里的,通道一般不垂直于地面,但地闪回击发生时刻的通道一般只有几百米,几乎垂直于地面。

(4)雷电的光强:闪电的辐射能量虽然横跨无线电频域和X射线,但不是均匀分布的,而是由几个辐射峰值组成,在可见光及近红外光谱范围内辐射能量最为集中。其中在中性氧和