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        基于TDOA的戰(zhàn)場雷電監(jiān)測預警系統(tǒng)研究

        2016-02-08 02:46:18侯明韓強王恒新
        設備管理與維修 2016年12期
        關鍵詞:監(jiān)測站戰(zhàn)場數(shù)據(jù)處理

        侯明,韓強,王恒新

        (海軍航空工程學院青島校區(qū),山東青島266041)

        基于TDOA的戰(zhàn)場雷電監(jiān)測預警系統(tǒng)研究

        侯明,韓強,王恒新

        (海軍航空工程學院青島校區(qū),山東青島266041)

        TDOA法對雷電定位的原理,設計戰(zhàn)場雷電監(jiān)測系統(tǒng)的總體方案,以及硬件和軟件的方案,該系統(tǒng)能夠有效減小雷電對戰(zhàn)場的威脅。

        TDOA;雷電監(jiān)測;報警

        0 前言

        雷電是自然界中發(fā)生的伴有閃電和雷鳴的災害性天氣事件[1],會對軍事裝備、軍事設施、軍事行動、軍隊人員等造成重大軍事影響和經(jīng)濟損失,現(xiàn)行的戰(zhàn)場防雷設備均屬于被動防護,并不能滿足戰(zhàn)場對雷電防護的要求。因此,發(fā)展高精度的雷電監(jiān)測預警系統(tǒng),對雷電進行探測和預警,為戰(zhàn)場雷電的主動防護提供準確數(shù)據(jù),具有重大的現(xiàn)實意義和軍事價值。

        1 系統(tǒng)總體設計

        1.1 基于TDOA的雷電定位原理[2]

        TDOA是指結合測向法和時差法形成的混合定位方法,簡稱時差測向混合方法。其中,測向法是通過多個探測站點對同一個閃電回擊電磁場信號進行測向,利用測向射線角度的交會進行定位,測出閃電方位角,然后計算出閃電的位置、強度等參數(shù)。時差法是利用閃電回擊輻射的電磁波到達各探測站的絕對時間,通過距離換算進行交會定位。TDOA是基于多個探測站點的定位方法,每兩個站點之間有形成一條時差雙曲線,多個探測站會形成多條時差雙曲線,這些雙曲線的交點就是閃電回擊發(fā)生的位置,基于TDOA的雷電定位只需要3個探測站點,是目前探測站點需求最少的方法。

        1.2 系統(tǒng)設計方案

        戰(zhàn)場雷電監(jiān)測預警系統(tǒng)的功能是實現(xiàn)雷電的探測定位和預警。雷電監(jiān)測定位包括測定雷擊點的位置和發(fā)生時間,實時探測閃電參數(shù)和閃電活動。從探測內(nèi)容看,包括閃電每次回擊過程的時間、位置、極性、峰值強度、波形特征參量、陡點值等,通過計算還可導出放電電荷量、閃電輻射功率等參數(shù)。雷電預警是根據(jù)用戶設定的報警閾值,將計算出的雷電強度與閾值比較,當達到報警閾值時,軟件會報警并實時顯示雷電強度的變化曲線。

        戰(zhàn)場雷電監(jiān)測預警系統(tǒng)主要由4部分組成:戰(zhàn)場雷電監(jiān)測站,數(shù)據(jù)處理中心、數(shù)據(jù)庫服務器和圖形顯示工作站。設計方案如圖1所示。

        戰(zhàn)場雷電監(jiān)測站是GPS時間裝置的電磁波探測和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),其主要功能是探測閃電回擊發(fā)生時輻射的電磁波,測量回擊電磁波到達的精確時間,并將數(shù)據(jù)送往數(shù)據(jù)處理中心,并接受來自后者的遙控命令。

        數(shù)據(jù)處理中心是整個系統(tǒng)的中樞,裝有雷電數(shù)據(jù)處理軟件。軟件主要的功能包括:接收實時雷電數(shù)據(jù),與監(jiān)測站的通信控制,數(shù)據(jù)處理,雷電報警與顯示,數(shù)據(jù)的存儲管理、回放查詢、統(tǒng)計分析等。數(shù)據(jù)處理中心與戰(zhàn)場指揮中心相連,向其提供及時準確的戰(zhàn)場雷電預警信息,戰(zhàn)場指揮中心根據(jù)情況指揮部隊進行雷電防護。

        圖1 戰(zhàn)場雷電監(jiān)測預警系統(tǒng)結構圖

        圖形顯示工作站用于在地圖上顯示雷電監(jiān)測站位置、雷電信息和實時雷電強度的系統(tǒng),其主要功能是將雷電數(shù)據(jù)實時顯示在用戶軟件中。

        2 系統(tǒng)硬件設計

        基于TDOA的雷電監(jiān)測精度取決于時間測量的準確程度,因此監(jiān)測系統(tǒng)中硬件的核心部件是GPS接收機、GPS時鐘模塊和數(shù)據(jù)采集卡。

        2.1 GPS接收機

        GPS接收機選用M12T高精度GPS授時模塊。該模塊可以同時跟蹤12顆衛(wèi)星,輸出高精度的1PPS脈沖信號以及NEMA-0183的串口數(shù)據(jù)。1PPS信號可用于采樣時鐘的校準及采集卡的秒同步。串口數(shù)據(jù)包含UTC時刻、經(jīng)度、緯度、海拔及接收機狀態(tài)等信息,為采集系統(tǒng)提供精確的時刻及采集環(huán)境信息。

        2.2 GPS時鐘模塊組成及原理

        GPS時鐘模塊采用一種模數(shù)混合、軟件鎖相的方案構造。10 MHz壓控溫補晶振VCTCXO的輸出經(jīng)倍頻得到50M時鐘,該時鐘作為FPGA內(nèi)部的模為10,000的計數(shù)器的時鐘,F(xiàn)PGA在每個1PPS脈沖上升沿鎖存計數(shù)器的值并向M6759單片機申請中斷,單片機在讀出計數(shù)值后與上一次的計數(shù)值作比較得出該秒輸出時鐘的誤差,在單片機內(nèi)根據(jù)調(diào)諧電壓控制算法將誤差轉(zhuǎn)換為壓控溫補晶振的數(shù)字調(diào)諧電壓,經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后控制VCTCXO,形成閉環(huán)控制。

        2.3 PCI數(shù)據(jù)采集卡

        PCI數(shù)據(jù)采集卡采用PCI4712系列的并行兩通道數(shù)據(jù)采集卡改造而成。PCI數(shù)據(jù)采集卡以1PPS脈沖為秒同步信號、以GPS時鐘模塊的輸出為采樣時鐘,2通道獨立完成閃電輻射的脈沖峰值特征采集和閃電波形采集,通過PCI總線將采集數(shù)據(jù)送至工控機。PCI數(shù)據(jù)采集卡核心算法采用了FPGA設計,集成度與可靠性高。采用的A/D轉(zhuǎn)換器的最高采樣頻率為70 Msps,分辨率為12位,脈沖峰值采集通道采樣頻率固定為50 MHz,數(shù)據(jù)段采集通道采樣頻率為200 K,500 K,1 M,2 M,5 M可設。

        3 系統(tǒng)的軟件設計

        3.1 軟件的總體結構

        雷電處理軟件主要包括7大部分,即數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、報警和實時顯示模塊、雷電監(jiān)測站管理模塊、查詢模塊、放大模塊、數(shù)據(jù)庫接口模塊、打印模塊和用戶界面??傮w結構如圖2所示。

        圖2 軟件結構圖

        其中,數(shù)據(jù)接收模塊負責通過網(wǎng)絡接口和雷電監(jiān)測站進行數(shù)據(jù)通信;數(shù)據(jù)處理模塊負責處理數(shù)據(jù),重建數(shù)據(jù)的次序,存儲數(shù)據(jù)等;報警和實時顯示模塊根據(jù)數(shù)據(jù)處理模塊對數(shù)據(jù)處理的結果,進行實時顯示,并判斷是否報警;監(jiān)測站管理模塊負責對探測站信息進行管理;查詢模塊能夠?qū)崿F(xiàn)歷史雷電曲線和數(shù)據(jù)回放;放大模塊能夠?qū)崿F(xiàn)局部放大曲線功能;數(shù)據(jù)庫接口模塊為雷電處理軟件提供與數(shù)據(jù)庫通信的功能;打印模塊用于打印和保存當前窗口中的曲線;用戶界面模塊用于實現(xiàn)人機交互功能。

        3.2 軟件主要模塊的流程

        限于篇幅,主要介紹軟件中3大核心模塊的流程。

        (1)數(shù)據(jù)接收模塊。數(shù)據(jù)接收模塊通過網(wǎng)絡接收各個雷電監(jiān)測站的數(shù)據(jù),采用點對多點的通信。處理軟件與監(jiān)測站之間的軟件結構采用基于UDP通信方式的C/S結構。數(shù)據(jù)接收模塊由一個獨立的線程實現(xiàn)。其軟件流程如圖3所示。

        (2)數(shù)據(jù)處理模塊。數(shù)據(jù)處理模塊接收數(shù)據(jù)接收模塊發(fā)送來的原始數(shù)據(jù),并對數(shù)據(jù)進行處理,然后一方面把數(shù)據(jù)存放到實時顯示緩沖區(qū),另一方面把數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中。

        數(shù)據(jù)處理模塊的流程如圖4所示。

        (3)報警和實時顯示模塊。當雷電的強度達到報警閾值時,數(shù)據(jù)處理中心將會發(fā)出警報,提醒用戶可能發(fā)生雷電,并且支持用戶實時監(jiān)測雷電強度的變化曲線。報警和實時顯示模塊是由軟件定時器驅(qū)動執(zhí)行的線程,當定時器超時,該線程被觸發(fā)。軟件首先比較當前雷電強度和預警閾值,如果雷電強度達到閾值,就啟動報警線程進行報警。然后,軟件刷新雷電曲線和數(shù)據(jù)列表。

        報警閾值分為4級,這4個閾值可以由用戶設定,其中4級最大,1級最小。用戶可以通過人機接口打開或者關閉報警功能。該模塊的流程如圖5所示。

        圖3 數(shù)據(jù)接收模塊流程圖

        圖4 數(shù)據(jù)處理模塊流程圖

        圖5 報警和實時顯示模塊流程圖

        4 結束語

        目前民用雷電的定位精度是1 km,而戰(zhàn)場雷電監(jiān)測預警系統(tǒng)定位精度可達到100 m,而且該系統(tǒng)的監(jiān)測站可移動,可擴充,機動靈活,能滿足部隊機動性的要求。該系統(tǒng)能夠在云閃階段預測雷電的發(fā)展趨勢、空中閃道和雷擊點位置,能夠有效的判斷出雷暴的移動方向及速度,并為部隊提供預警信息,幫助部隊做好雷電防護工作,減小雷電威脅,具有巨大的軍事價值和經(jīng)濟效益。

        [1]吳明江,杜莉萍,陳永斌,等.大氣電場的特征及雷電預警技術研究[J].氣象水文海洋儀器,2010,(1):10-14.

        [2]俞一鳴.姚遠,等.TDOA定位技術和實際應用簡介[J].中國無線電,2013,(11):57-58.

        [3]李韋霖,楊琳,李慧,等.雷電通道模型研究與應用[J].電子技術,2010,(5):174-178.

        〔編輯利文〕

        P429

        B

        10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.12.54

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