四川三維閃電傳輸處理流程探析

馬艷軍，劉一謙，陳琦，李濤

（1.四川省氣象探測數據中心，成都 610071；2.78127部隊，成都 610071）

0 引言

雷電是一種特殊的天氣現象，雷擊過程產生的高電壓、大電流和強電磁輻射常常造成嚴重的災害和經濟損失，隨著社會經濟的迅猛發展和現代化水平的快速提高，特別是隨著微電子器件的大量采用，雷擊引起的災害越來越嚴重，造成的影響也越來越大，幾乎涉及到所有的行業。如電力、建筑、航天航空、國防、衛星通信、導航、電子工業、石油化工、金融證券等，社會對雷電的監測和防護提出了更高的需求[1]。

閃電的發生與強對流云的發展密切聯系，云內的第一個閃電幾乎總是云閃，有些雷暴云中的閃電可能全部為云閃，所以云閃的研究和探測很重要，而且云閃信息也更具有強對流發展的預警指示意義。

通過對三維閃電定位資料的收集分析,可以進一步掌握雷電的活動規律,增強對雷暴云內物理過程的認識,為防雷減災及雷電研究提供參考。

1 閃電相關概述

閃電是云與云之間、云與地之間或者云體內各部位之間的強烈放電現象。

閃電通常分為云地閃和云閃兩類，云地閃指打到地上的閃電，云地閃有正云地閃和負云地閃，正地閃指把云中正電荷轉移到地球的閃電；負地閃指把云中負電荷中和到地球的閃電。一般正地閃發生比例低，僅占全部地閃的10%以下，但是強度大，危害也大。

負地閃回擊的峰值電流強度一般為幾萬安培，中和電荷量為幾庫倫到幾十庫倫；而正地閃回擊電流強度與中和電荷量要大幾倍，甚至幾十倍。

云閃即三維閃電指發生在云內或云間的閃電，也就是所有沒有打到地上的閃電。平均而言，地閃只占全部閃電的1/3以下，而云閃占2/3以上。

現代雷電放電過程觀測研究表明：不僅云地閃回擊過程輻射VLF/LF脈沖信號，云閃正負電荷中和過程（也叫云閃回擊）也產生較強的VLF/LF脈沖。通過接收閃電回擊（包括云閃、云地閃）輻射的VLF/LF脈沖信號，采用TOA定位方法，研發對閃電VLF/LF輻射源的時間、位置、高度、強度及極性等主要參數的三維定位技術，是傳統閃電監測定位系統向三維閃電監測定位系統升級的最佳途徑[2]。

2 三維閃電處理整體架構

目前，四川省三維閃電數據處理中心除接收四川本省建設的8個探測站數據外，還接收其他周邊省份的7個三維探測站數據。根據氣象觀測的發展需要，新的三維探測站在陸續建設。

VLF/LF三維全閃電監測系統由數量大于4的探測儀、基線距離大于70km探測網組成，探測數據實時上傳至中心處理端，三維位置解算軟件根據接收到的多站點探測數據，進行相關性分析并計算出閃擊位置，完成三維位置解算，并將結果通過網絡傳送到圖形顯示系統與應用服務系統。中心站系統監測及運行控制管理單元負責對整個探測網運行監控、探測數據和定位結果都存儲在中心站數據庫中。系統總體架構圖如圖1所示。

圖1 總架構圖

3 三維閃電處理流程

四川省三維閃電數據處理中心站是三維雷電監測系統的重要組成部分，主要包括數據處理中心、數據存儲中心和數據服務中心。它實時接收全省各地的探測儀實時發送來的雷電探測數據，實時對這些數據進行三維定位處理和存儲，并根據需要將這些三維定位結果發送給各個數據用戶。

3.1 系統運行模式

在實時運行模式下，數據接收與處理軟件部件通過公共廣域網實時接收全省各地的探測儀發送來的回擊數據和狀態數據，將接收到的數據分類、存儲，將狀態數據發送到探測儀監視軟件部件，將回擊數據進行定位處理，將自身的運行狀態信息、數據接收的統計信息發送給系統監視軟件部件顯示。

數據處理軟件對回擊數據實時排序；定時掃描排序后的數據，將同一雷電的回擊數據提取，將過時的數據丟棄；對獲取的同一雷電的數據進行定位計算，得到三維定位結果，將三維定位發送到數據存儲軟件部件，將自身的運行狀態信息、三維定位結果統計信息發送給系統監視軟件部件顯示。

數據存儲軟件部件接收到回擊數據、狀態數據和三維定位結果后，將回擊數據和三維定位結果信息存儲到數據庫，根據狀態數據判斷探測儀狀態，并根據數據庫中探測儀當前狀態確定探測儀狀態是否改變，如果改變則將該狀態數據記錄入庫，如果沒有改變，則該狀態數據不記錄入數據庫；數據存儲軟件部件將定位結果統計信息發送給探測儀控制與系統監視子系統顯示。

系統監視子系統接收到系統中各種軟件運行狀態信息、狀態數據、各種數據統計信息，分類將軟件運行狀態、探測儀運行狀態、數據統計信息顯示；獲取并顯示相應計算機的資源信息。

運行模式如圖2所示：

圖2 實時運行模式

3.2 數據接收與處理

數據接收與處理功能接收探測儀以UDP方式發送來的回擊數據、狀態數據和檢測信息，對接收到的數據按天分類存儲，形成回擊數據文件和狀態數據文件；將回擊數據進行排序、提取同一雷電的數據、定位計算，得到三維定位結果，并將三維定位結果存儲形成三維定位結果文件；將狀態數據發送給系統監視功能和數據存儲功能；將回擊數據統計信息、狀態數據統計信息、運行狀態發送給系統監視功能[5]。

數據收發模塊：接收從探測儀通過Internet發送來回擊數據、狀態數據，將接收到的數據轉發給本軟件部件內相應軟件模塊；同時接收各軟件模塊發送來的數據，并轉發給相應的其他軟件部件。

數據存儲模塊：將回擊數據和狀態數據分別按天存儲為文件，存儲的文件為二進制格式。

回擊數據排序模塊：對接收到的回擊數據按照時間實時排序，形成排序后的回擊數據。

回擊數據處理模塊：在排序后的回擊數據中，按照定義的同一雷電回擊數據窗口，在排序后的回擊數據中查找同一雷電回擊數據，對獲取的同一雷電的回擊數據，進行三維定位計算。

定位結果確認模塊：對未經過確認的三維定位結果進行可信性分析和確認，將經過確認、可信的三維定位結果發送。

日志模塊：接收數據收發子功能發送來的運行日志，將日志信息存儲形成日志文件。

數據處理主流程如下：

3.3 數據存儲

接收數據接收與處理軟件發送來的三維定位結果、回擊數據和狀態數據，及地理標簽處理過的定位結果，將這些數據存入數據庫；讀取定位結果數據庫中的三維定位結果，發送給地理信息標注級數據廣播功能。

3.4 數據庫設計

數據庫的規劃和設計在整個系統中占有非常重要的地位，它不但起著存儲各種信息以供統計、查詢、分析使用等作用，而且還關系到不同查詢信息之間的數據傳遞。

本系統的數據庫包括定位結果表和狀態數據表兩類。

（1）定位結果表

定位結果表用于記錄初始定位數據及定位數據，每年建一個，數據庫表名為：THUNDER****，其中****為年信息，如2018年的數據庫表為：THUNDER2018。該數據庫表具體的字段定義和建立的腳本如下：

（2）狀態數據表

狀態數據庫表記錄各個探測儀的運行狀態的變化情況，數據庫表名為：STATUSDATA2018。該數據庫表具體的字段定義和建立的腳本如下：

3.5 系統監視

系統監視是整個雷電顯示監測和綜合分析系統的監視中心。它接收數據接收與處理軟件通過網絡TCP協議發送的探測站配置信息、雷電回擊數據、探測儀狀態數據、三維定位結果數據等，對這些數據進行分類存儲后，以列表的形式進行顯示，同時根據探測儀狀態數據判斷當前探測儀的狀態；系統監視軟件還通過網絡UDP組播協議接收數據接收與處理軟件、數據存儲軟件發送的回擊數據統計信息、狀態數據統計信息、雷電三維定位結果統計信息，以及各軟件運行的相關狀態信息[6]。

4 結語

四川緊靠青藏高原，地形復雜，氣候多變，閃電頻發，三維閃電定位系統的建設適用于四川省復雜的地形條件和天氣氣候情況，新增云閃探測功能，其定位精度和探測效率得到進一步提高，通過對三維雷電探測資料進行分析處理，將有效強化雷電預警服務的精細化程度和水平。