雷电预警系统

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。
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。
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。
13 FrameEndID2 帧结束标志第二字节 byte (0AH)
帧长度
38字节
2 0DH 2 0FH 20 23H
1 24H
1 28H
DNDY地面电场仪输出数据帧格式
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。
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
闪电探测数据
大气电场探测数据
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。
ADTD闪电定位网介绍
闪电定位系统是一种云地闪探测系统， 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。
探测效率 探测范围 测向精度 时间精度 回击分辨率 环境温度： 工作温度： 相对湿度：
降雨：
无故障时间
80％－90％ 0—600ＫＭ、平均300KM 理论随机误差是0.5度 相对世界时130ns，探测仪之间小于50 ns 云地闪为3ms，云闪1ms -40度到+55度 -40度到+80度 0-100%
下面是电场和闪电探测数据的对比分析：
玉溪市一次雷暴中的大气电场探测数据
玉溪市一次雷暴中的闪电探测数据
云南安宁一次正闪雷暴过程中的大气电场探测数据
云南安宁一次正闪雷暴过程中的闪电探测数据
西双版纳一次雷暴过程中的大气电场和闪电探测结果
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。
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。
集成电路模块
前置放大电路
数据传输模块
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。
NPort
CDMA DTU
电场仪设置及故障检测
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。
图a 一次正地闪过程中电场探测结果
图b 一次负地闪过程中电场探测结果
图c 一次无前期快变抖动的雷暴过程探测结果
图d 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，
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。
数据内容
数据 类型
帧起始标志第一字节(EBH)
byte
帧起始标志第二字节(90H)
byte
地面电场仪编号标志位(16进制) byte
GPS成功定位标志（ASIC码） byte
UTC时间的小时值（ASIC码） byte
UTC时间的分钟值（ASIC码） byte
UTC时间的秒值（ASIC码） byte
UTC时间日（ASIC码）
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型地面电场仪介绍
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：
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 号 1 FrameStartID1 2 FrameStartID2 3 NumberFlag 4 GPSFlag 5 Hour 6 Minute 7 Second 8 Day
DNDY雷电监测预警系统预警 方法介绍
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标 准。
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。
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。
电场仪的安装
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。
雷电监测定位系统
全国雷电监测定位网覆盖范围
主要内容
❖闪电定位网介绍 ❖地面电场仪介绍 ❖大气电场仪系统各模块介绍 ❖电场仪设置及故障检测 ❖雷电监测预警系统预警方法介绍 ❖雷电监测预警系统软件介绍 ❖雷电监测预警系统的应用
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
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。
DNDY地面电场仪三维视图和实物照片
大气电场仪系统各模块介绍
电源模块
byte
字节 偏移 数量 1 00H 1 01H 1 02H 1 03H 2 05H 2 07H 2 09H 2 0BH
9 Month
UTC时间月（ASIC码） byte
10 Year
UTC时间年（ASIC码） byte
11 E_Filed
连续十秒的电场值(16进 byte 制)
12 FrameEndID1 帧结束标志第一字节 byte (0DH)
7.6cm/hr 在风速为65km/h
30000小时以上
ADTD闪电定位系统参数
图2 ADTD闪电定位网站点分布
DNDY地面电场仪介绍
电场仪对雷电进行预警原理介绍
地面电场仪是直接安装在地面上进行 电场测量的。如图所示，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。
DNDY雷电监测预警系统软件 介绍
软件主界面
软件主界面
报警阀值设置界面
数据回放界面
电场数据回放显示界面
DNDY雷电监测预警系统的应用
系统分析
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。
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。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
如图d中，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c中，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。
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。
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。
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。
雷电监测预警系统软件将地面电场仪 系统探测的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
进一步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
中科院空间中心开发的DNDY雷电监测 预警系统 （包括闪电监测定位系统 和 DNDY型地面电场仪系统）
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
雷电监测预警系统结构
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。
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
报警成功率
报警提前时间 （分钟）
4 〉60% 40
5 〉70% 30
6 〉80% 20
7 〉90% 10
电场仪报警等级划分
引入天气雷达进一步提高预警的可行性
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：