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雷击监测定位系统 ADTD 雷击探测仪 用户手册 中国科学院空间科学与应用研究中心 高精度雷击监测定位系统课题组 二○○○年十月 1 目 录 页号 一、概论 2 1.1 ADTD 雷击探测仪的工作原理 2 1.2 雷击监测定位系统的构成 3 1.3 雷击探测仪的结构 4 二、 ADTD 雷击探测仪的技术功能指标 11 2.1 每个雷击探测仪布站配置 11 2.2 雷击探测仪布站连接简图 11 2.3 雷击探测仪的主要技术指标 11 三、雷击探测仪的安装 13 3.1 安装场地要求 13 3.2 安装基座 13 3.3 探头供电 13 3.4 探头接地 13 3.5 通讯标准及波特率 17 3.6 探头与中心数据处理站间的通信 17 3.7 通讯电缆 18 3.8 探头的安装及水平调节 18 3.9 探头 NS 磁场天线环方位的调整 18 3.10 探头的初次通电 22 3.11 探头的密封 22 四、雷击探测仪运行设置和操作 23 4.1 DIP 开关的设置 23 4.2 探头的运行方式 25 4.3 探头的数据输出及帧格式 25 4.4 自动自检 28 4.5 探头命令 28 4.6 CPU 板、PDL 板以及电源/接口板上的 LED 灯的涵义 39 五、雷击探测仪维修 41 5.1 探头的检修维护 41 2 维修程序设置及测试终端连接 44 5.3 探头故障修理 47 2 一、概 论 1.1 ADTD 雷击探测仪的工作原理 ——闪电物理特性，探测原理，处理技术 大量的气象观测、卫星探测仪以及很多国家的电学测量等综合分析表明，全球在 任一时刻都有上千个雷暴在活动， 大多数发生在较低纬度地区， 但两极地区也时有发生。

由于雷电在现代生活中，仍然威胁着森林、引燃火工品、造成人员的伤亡，对航天、航 空、通讯、电力、建筑等国防和国民经济的许多部门都有着很大的影响因此各国都很 重视雷电的研究与防护 闪电可以分为：云闪（包含云与云、云与空气、云内放电）、云地闪、诱发闪电、 球闪等多种， 其中对地面设施危害最大的是云地闪电 云地闪电又可以细分为： 正闪 （正 电荷对地的放电）和负闪（负电荷对地的放电）目前，闪电探测仪主要用来探测云地 闪，并且能区分正负极性 一次闪电的放电过程如下所述： 云层荷电形成电分布—初始击穿—梯级先导—联结过程—第一回击—K 过程—J 过 程—直窜先导—第二回击—…… 闪电的放电过程中最重要的是回击过程，因为回击的电流大，辐射的电磁场强，是 形成故障造成危害的主要原因回击的放电特征参量为： 1.回击的放电时间：指回击发生时的自然时间 2.闪电的回击数：每次闪电的回击次数 3.回击发生的位置：回击通道取垂直分量在地面或者在目标上的投影 4.回击的电流值：指回击电流波形的峰值 5.回击电流波形陡度最大值：指回击放电过程中单位时间内电流变化的最大值，它 反映了闪电回击放电最剧烈时的状况 6.回击波形前沿持续时间：指回击电流波形中，从 2KA 到峰值电流的过渡时间。

7.放电电荷：指每次回击放电所释放出的电荷，即电流对时间的积分 闪电监测定位系统从理论上讲， 其核心是通过几个站同时测量闪电回击辐射的电磁 场来确定闪电源的电流参数Maxwell 方程组和特殊路径上的传播影响，将两者联系起 来高精度雷电定位系统将测量每次回击放电辐射的电磁脉冲的下列参量： ?回击的放电时间 3 ?回击发生的位置 ?100 公里处回击波形的强度峰值 ?100 公里处回击波形陡度值 ?100 公里处回击波形陡点时间 ?100 公里处回击波形前沿上升时间 ?100 公里处回击波形宽度 ?另外，根据 100 公里处辐射场的波形，可以近似计算出回击的放电电荷、辐射能 量 其中，探测仪的探测参量与指标如下表所示： 参数 回击波形到达 精确时间 方位角 磁场峰值电场峰值波形特征值 （四个） 陡度值 指标 精度优于 10-7 秒 优于±1°优于 3% 优于 3%精度优于 10-7 秒 优于 3% 组网后的雷电监测定位系统的探测参量与指标如下表所示： 参数 回击发生的 精确时间 回击位置 （经纬度） 强度 波形特征 参量 陡度值 放电量 峰值功率 单位 0·1μS 度 KA 0·1μSKA/μS 库仑 兆瓦 指标 精度优于 10-7秒 网内精度优 于 300 米 相对误差 优于 15% 精度优于 10-7秒 相对误差 优于 15% 相对误差 优于 30% 相对误差 优于 30% 1.2 雷击监测定位系统的构成 ——ADTD 雷击探测仪+中心数据处理站+用户数据服务网络+图形显示终端 由布置在不同地理位置上的两台以上的雷击探测仪（以下简称探头）可以构成一个 雷击探测定位系统网。

如图 1-1 所示： 中心数据处理站经通信信道可和多达 16 个探头相连，对接收到的闪电回击数据实 时进行交汇处理，给出每个闪电回击的准确位置、强度等参数，由其图形显示终端设备 随时存储、显示、打印或拷贝成图；中心数据处理站也可经通信系统对各个探头进行参 数设置、调出探头工作状态等等；中心数据处理站可通过数据服务网络或设置多个图形 显示终端，以便多个部门共享雷电的信息资源 4 显然，这样的一个系统网，除探头，中心数据处理站，图形显示终端专用设备外， 其通讯系统也是个重要组成部门，通讯的好坏直接影响整个系统网的可靠性，通讯可以 用多种途径来实现，如长途线，超高频通讯，电力载波通讯，微波接力通讯，甚至 现代化的卫星通讯等等我们推荐采用微波通讯，或专用有线线路 一般而言，多站交汇误差要比两站交汇误差小，因此多站布置可以提高雷电定位精 度，同时可以扩大探测范围从交汇原理的合理性通常希望把探头布置成三角形，正四 边形更为有利，然而站的数量，站址的布置，站间的距离等的选取要从系统 雷电的定位精度要求，覆盖面积，场站的通讯条件以及场址背景条件等诸多因素综合分 析决定场地环境也是非常重要的，经过测试如果背景噪声很大也不宜用作站点，否则 探头将不能正常运行，对于雷电定位将带来较大误差。

站与站间的站距通常选为 150 公 里至 180 公里为宜，平原地区可以适当拉开一些，山区可以适当缩短一些 1.3 雷击探测仪的结构 探头的主要部件有支柱和仪器舱这些部件以及探头的其它单元分别表示在图 1-2 到图 1-4 中 1.3.1 支柱 探头的支柱是一根厚壁钢管（9，图 1-3），它有精密机加工的顶端表面和焊接的底 部安装盘仪器舱安装在它的顶端用三根螺栓，通过支柱安装盘上的三个安装孔，将 整个探头安装在水泥墩上，或用槽钢制成的“井”字架上 1#探头 2#探头 N#探头 通信系统 中心数据处理站系统 图形显示终端 图 1-1雷击监测定位系统 ………… 5 1.3.2 仪器舱 仪器舱是一个组合部件，它是由电源腔（6，图 1-3），电子盒（4，图 1-3），天线 部件（2，图 1-3），密封圈（5，图 1-3）以及玻璃钢罩（1，图 1-3）组成仪器舱被四 颗特殊螺丝固定在支柱顶端的槽内，固定螺丝松开后，整个仪器舱可以用手转动，以便 安装时校准天线部件的正北方向在仪器舱的安装托盘上，设计有气压卸压阀在要打 开玻璃钢罩前，用于平衡罩内外的气压 1.3.2.1 内部主连接电缆 内部主连接电缆， 从电源/接口盒背面上的 P901-19 插座一直引到仪器舱安装托盘底 部的 P900-19 插座上。

1.3.2.2 电子盒 电子盒（4，图 1-3）是由五块印制电路板，长方形盒及连接电缆组成电子盒用四 个滚花螺钉固定在安装托盘上，整个部件可容易拆卸更换 图 1-4 表示取去顶盖的电子盒取去顶盖后，可取出盒内的四块印制电路板另外 电子盒还有四个(P505-6、P506-10、J401-1、J801-1)和探头其它部件连接的插座 电子盒中的五块印制电路板是： 1.AFE 板 2.PDL 板 3.CPU 板 4.时基 TIME 板 5.母板 整个电子盒是用两块半圆柱面金属板（3，图 1-3）和一个圆形金属平板进行电屏蔽 的两块半圆柱面金属板装在安装托盘上面的一个圆形导槽中，可自由滑动，当打开时， 可从内部取出被屏蔽的电子盒 1.3.2.3 天线部件 天线部件（2，图 1-3）由四个天线组成： 1.平板电场天线 2.东-西磁场环天线 3.北-南磁场环天线 4.GPS 接收天线 平板电场天线是由上下两块圆形印刷电路板的顶表面上的铜皮和四根特殊机加工 6 仪器舱 支柱 安装基座 通信电缆 电源电缆 地桩 地线 图1-2 ADTD雷击探测仪 7 1 玻璃钢罩 21 GPS天线 2 天线部件 3 射频屏蔽罩 5 密封圈 6 安装托盘及电源腔 7 电源腔前盖板 9 支柱 10 AFE板 11 屏蔽板 12 PDL板 13 CPU板 14 时基板 4 电子盒 19 P506-10 20 P505-6 15 电源开关 16 保险丝 17 MOV压敏电阻 18 电源/接口板 8 电源/接口盒 图 1-3 ADTD雷击探测仪主要组成单元 8 6 GPS接收机OEM板 图 1-4 电子盒内结构 15 P101-10 8 LED显示灯 9 DIP开关 10 SMC P401-1 7 FPGA 14 P506-10 13 P505-6 11 J503 12 P400 5 母板 4 时基TIME板 16 P301-10 3 CPU板 2 PDL板 1 AFE板 9 的支柱构成。

东-西磁场天线是由电场天线底部印刷电路板下面的一个连接器的多股电缆形成的 方环构成多股电缆首先沿一根支柱外边向上，穿过电场天线顶部印刷电路板的下面， 再沿着对面的一根支柱外边向下，然后回到电场天线底部印刷电路板下面的另一个连接 器 北-南磁场天线和东-西磁场天线一样，但这两个天线环之间精确成 90° 1.3.2.4 保护罩 玻璃钢罩（1，图 1-3）罩住整个仪器舱，它座落在安装盘上的一个特殊密封圈上， 罩上有三个 M4 螺孔，用螺丝可把它固定在安装盘上，并压缩密封圈以密封仪器舱 1.3.2.5 密封圈 保护罩密封圈（5，图 1-3）是一个由微孔橡胶制成的环 1.3.3 电源/接口盒 电源/接口盒（8，图 1-3）具有绞链门，用两个螺丝。