基于TDOA的戰(zhàn)場雷電監(jiān)測預(yù)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）

基于TDOA的戰(zhàn)場雷電監(jiān)測預(yù)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(shè)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(zāi)害性天氣事件[1]，會對軍事裝備、軍事設(shè)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(shè)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(yù)警系統(tǒng)，對雷電進行探測和預(yù)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(shè)計

1.1 基于TDOA的雷電定位原理[2]

TDOA是指結(jié)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(shè)計方案

戰(zhàn)場雷電監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的功能是實現(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(yù)警是根據(jù)用戶設(shè)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(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(yù)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(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(shè)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(gòu)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(shè)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(shè)。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

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(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 軟件結(jié)構(gòu)圖

其中，數(shù)據(jù)接收模塊負責通過網(wǎng)絡(luò)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(jié)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(luò)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(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(yù)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(shè)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(guān)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(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(yù)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(yù)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(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，等.TDOA定位技術(shù)和實際應(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