侯明，韓強(qiáng)，王恒新

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島266041）

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

侯明，韓強(qiáng)，王恒新

（海軍航空工程學(xué)院青島校區(qū)，山東青島266041）

TDOA法對雷電定位的原理，設(shè)計(jì)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(bào)警

0 前言

雷電是自然界中發(fā)生的伴有閃電和雷鳴的災(zāi)害性天氣事件[1]，會(huì)對軍事裝備、軍事設(shè)施、軍事行動(dòng)、軍隊(duì)人員等造成重大軍事影響和經(jīng)濟(jì)損失，現(xiàn)行的戰(zhàn)場防雷設(shè)備均屬于被動(dòng)防護(hù)，并不能滿足戰(zhàn)場對雷電防護(hù)的要求。因此，發(fā)展高精度的雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，對雷電進(jìn)行探測和預(yù)警，為戰(zhàn)場雷電的主動(dòng)防護(hù)提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和軍事價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 基于TDOA的雷電定位原理[2]

TDOA是指結(jié)合測向法和時(shí)差法形成的混合定位方法，簡稱時(shí)差測向混合方法。其中，測向法是通過多個(gè)探測站點(diǎn)對同一個(gè)閃電回?fù)綦姶艌鲂盘栠M(jìn)行測向，利用測向射線角度的交會(huì)進(jìn)行定位，測出閃電方位角，然后計(jì)算出閃電的位置、強(qiáng)度等參數(shù)。時(shí)差法是利用閃電回?fù)糨椛涞碾姶挪ǖ竭_(dá)各探測站的絕對時(shí)間，通過距離換算進(jìn)行交會(huì)定位。TDOA是基于多個(gè)探測站點(diǎn)的定位方法，每兩個(gè)站點(diǎn)之間有形成一條時(shí)差雙曲線，多個(gè)探測站會(huì)形成多條時(shí)差雙曲線，這些雙曲線的交點(diǎn)就是閃電回?fù)舭l(fā)生的位置，基于TDOA的雷電定位只需要3個(gè)探測站點(diǎn)，是目前探測站點(diǎn)需求最少的方法。

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

戰(zhàn)場雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的功能是實(shí)現(xiàn)雷電的探測定位和預(yù)警。雷電監(jiān)測定位包括測定雷擊點(diǎn)的位置和發(fā)生時(shí)間，實(shí)時(shí)探測閃電參數(shù)和閃電活動(dòng)。從探測內(nèi)容看，包括閃電每次回?fù)暨^程的時(shí)間、位置、極性、峰值強(qiáng)度、波形特征參量、陡點(diǎn)值等，通過計(jì)算還可導(dǎo)出放電電荷量、閃電輻射功率等參數(shù)。雷電預(yù)警是根據(jù)用戶設(shè)定的報(bào)警閾值，將計(jì)算出的雷電強(qiáng)度與閾值比較，當(dāng)達(dá)到報(bào)警閾值時(shí)，軟件會(huì)報(bào)警并實(shí)時(shí)顯示雷電強(qiáng)度的變化曲線。

戰(zhàn)場雷電監(jiān)測預(yù)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(wù)器和圖形顯示工作站。設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

戰(zhàn)場雷電監(jiān)測站是GPS時(shí)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?fù)舭l(fā)生時(shí)輻射的電磁波，測量回?fù)綦姶挪ǖ竭_(dá)的精確時(shí)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(gè)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(shí)時(shí)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(bào)警與顯示，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)管理、回放查詢、統(tǒng)計(jì)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(shí)準(zhǔn)確的戰(zhàn)場雷電預(yù)警信息，戰(zhàn)場指揮中心根據(jù)情況指揮部隊(duì)進(jìn)行雷電防護(hù)。

圖1 戰(zhàn)場雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shí)時(shí)雷電強(qiáng)度的系統(tǒng)，其主要功能是將雷電數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在用戶軟件中。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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

2.1 GPS接收機(jī)

GPS接收機(jī)選用M12T高精度GPS授時(shí)模塊。該模塊可以同時(shí)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(shí)鐘的校準(zhǔn)及采集卡的秒同步。串口數(shù)據(jù)包含UTC時(shí)刻、經(jīng)度、緯度、海拔及接收機(jī)狀態(tài)等信息，為采集系統(tǒng)提供精確的時(shí)刻及采集環(huán)境信息。

2.2 GPS時(shí)鐘模塊組成及原理

GPS時(shí)鐘模塊采用一種模數(shù)混合、軟件鎖相的方案構(gòu)造。10 MHz壓控溫補(bǔ)晶振VCTCXO的輸出經(jīng)倍頻得到50M時(shí)鐘，該時(shí)鐘作為FPGA內(nèi)部的模為10，000的計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘，F(xiàn)PGA在每個(gè)1PPS脈沖上升沿鎖存計(jì)數(shù)器的值并向M6759單片機(jī)申請中斷，單片機(jī)在讀出計(jì)數(shù)值后與上一次的計(jì)數(shù)值作比較得出該秒輸出時(shí)鐘的誤差，在單片機(jī)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(bǔ)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(shí)鐘模塊的輸出為采樣時(shí)鐘，2通道獨(dú)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(jī)。PCI數(shù)據(jù)采集卡核心算法采用了FPGA設(shè)計(jì)，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(shè)。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件的總體結(jié)構(gòu)

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(bào)警和實(shí)時(shí)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(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 軟件結(jié)構(gòu)圖

其中，數(shù)據(jù)接收模塊負(fù)責(zé)通過網(wǎng)絡(luò)接口和雷電監(jiān)測站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信；數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)，重建數(shù)據(jù)的次序，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等；報(bào)警和實(shí)時(shí)顯示模塊根據(jù)數(shù)據(jù)處理模塊對數(shù)據(jù)處理的結(jié)果，進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并判斷是否報(bào)警；監(jiān)測站管理模塊負(fù)責(zé)對探測站信息進(jìn)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(dāng)前窗口中的曲線；用戶界面模塊用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)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(luò)接收各個(gè)雷電監(jiān)測站的數(shù)據(jù)，采用點(diǎn)對多點(diǎn)的通信。處理軟件與監(jiān)測站之間的軟件結(jié)構(gòu)采用基于UDP通信方式的C/S結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)接收模塊由一個(gè)獨(dú)立的線程實(shí)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(jìn)行處理，然后一方面把數(shù)據(jù)存放到實(shí)時(shí)顯示緩沖區(qū)，另一方面把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(bào)警和實(shí)時(shí)顯示模塊。當(dāng)雷電的強(qiáng)度達(dá)到報(bào)警閾值時(shí)，數(shù)據(jù)處理中心將會(huì)發(fā)出警報(bào)，提醒用戶可能發(fā)生雷電，并且支持用戶實(shí)時(shí)監(jiān)測雷電強(qiáng)度的變化曲線。報(bào)警和實(shí)時(shí)顯示模塊是由軟件定時(shí)器驅(qū)動(dòng)執(zhí)行的線程，當(dāng)定時(shí)器超時(shí)，該線程被觸發(fā)。軟件首先比較當(dāng)前雷電強(qiáng)度和預(yù)警閾值，如果雷電強(qiáng)度達(dá)到閾值，就啟動(dòng)報(bào)警線程進(jìn)行報(bào)警。然后，軟件刷新雷電曲線和數(shù)據(jù)列表。

報(bào)警閾值分為4級，這4個(gè)閾值可以由用戶設(shè)定，其中4級最大，1級最小。用戶可以通過人機(jī)接口打開或者關(guān)閉報(bào)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(bào)警和實(shí)時(shí)顯示模塊流程圖

4 結(jié)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(yù)警系統(tǒng)定位精度可達(dá)到100 m，而且該系統(tǒng)的監(jiān)測站可移動(dòng)，可擴(kuò)充，機(jī)動(dòng)靈活，能滿足部隊(duì)機(jī)動(dòng)性的要求。該系統(tǒng)能夠在云閃階段預(yù)測雷電的發(fā)展趨勢、空中閃道和雷擊點(diǎn)位置，能夠有效的判斷出雷暴的移動(dòng)方向及速度，并為部隊(duì)提供預(yù)警信息，幫助部隊(duì)做好雷電防護(hù)工作，減小雷電威脅，具有巨大的軍事價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。

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

［2］俞一鳴.姚遠(yuǎn)，等.TDOA定位技術(shù)和實(shí)際應(yīng)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(yīng)用［J］.電子技術(shù)，2010，（5）：174-178.

〔編輯利文〕

P429

B

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2016.12.54