基于TDOA的戰場雷電監測預警系統研究

侯明，韓強，王恒新

（海軍航空工程學院青島校區，山東青島266041）

基于TDOA的戰場雷電監測預警系統研究

侯明，韓強，王恒新

（海軍航空工程學院青島校區，山東青島266041）

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

TDOA；雷電監測；報警

0 前言

雷電是自然界中發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濟損失，現行的戰場防雷設備均屬于被動防護，并不能滿足戰場對雷電防護的要求。因此，發展高精度的雷電監測預警系統，對雷電進行探測和預警，為戰場雷電的主動防護提供準確數據，具有重大的現實意義和軍事價值。

1 系統總體設計

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。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 系統設計方案

戰場雷電監測預警系統的功能是實現雷電的探測定位和預警。雷電監測定位包括測定雷擊點的位置和發生時間，實時探測閃電參數和閃電活動。從探測內容看，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。雷電預警是根據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。

戰場雷電監測預警系統主要由4部分組成：戰場雷電監測站，數據處理中心、數據庫服務器和圖形顯示工作站。設計方案如圖1所示。

戰場雷電監測站是GPS時間裝置的電磁波探測和數據采集系統，其主要功能是探測閃電回擊發生時輻射的電磁波，測量回擊電磁波到達的精確時間，并將數據送往數據處理中心，并接受來自后者的遙控命令。

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

圖1 戰場雷電監測預警系統結構圖

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

2 系統硬件設計

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

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顆衛星，輸出高精度的1PPS脈沖信號以及NEMA-0183的串口數據。1PPS信號可用于采樣時鐘的校準及采集卡的秒同步。串口數據包含UTC時刻、經度、緯度、海拔及接收機狀態等信息，為采集系統提供精確的時刻及采集環境信息。

2.2 GPS時鐘模塊組成及原理

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

2.3 PCI數據采集卡

PCI數據采集卡采用PCI4712系列的并行兩通道數據采集卡改造而成。PCI數據采集卡以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總線將采集數據送至工控機。PCI數據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，數據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，即數據接收模塊、數據處理模塊、報警和實時顯示模塊、雷電監測站管理模塊、查詢模塊、放大模塊、數據庫接口模塊、打印模塊和用戶界面。總體結構如圖2所示。

圖2 軟件結構圖

其中，數據接收模塊負責通過網絡接口和雷電監測站進行數據通信；數據處理模塊負責處理數據，重建數據的次序，存儲數據等；報警和實時顯示模塊根據數據處理模塊對數據處理的結果，進行實時顯示，并判斷是否報警；監測站管理模塊負責對探測站信息進行管理；查詢模塊能夠實現歷史雷電曲線和數據回放；放大模塊能夠實現局部放大曲線功能；數據庫接口模塊為雷電處理軟件提供與數據庫通信的功能；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）數據接收模塊。數據接收模塊通過網絡接收各個雷電監測站的數據，采用點對多點的通信。處理軟件與監測站之間的軟件結構采用基于UDP通信方式的C/S結構。數據接收模塊由一個獨立的線程實現。其軟件流程如圖3所示。

（2）數據處理模塊。數據處理模塊接收數據接收模塊發送來的原始數據，并對數據進行處理，然后一方面把數據存放到實時顯示緩沖區，另一方面把數據存儲到數據庫中。

數據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，數據處理中心將會發出警報，提醒用戶可能發生雷電，并且支持用戶實時監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動執行的線程，當定時器超時，該線程被觸發。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據列表。

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 數據接收模塊流程圖

圖4 數據處理模塊流程圖

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，而戰場雷電監測預警系統定位精度可達到100 m，而且該系統的監測站可移動，可擴充，機動靈活，能滿足部隊機動性的要求。該系統能夠在云閃階段預測雷電的發展趨勢、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