1.本发明涉及雷电探测技术领域，尤其是一种单站多频雷电测距方法、定位方法及定位预警装置。
背景技术：2.雷电灾害是国际公认的最严重十大自然灾害之一，为降低雷电灾害带来的财产损失，减少雷电灾害带来的人身伤亡，人们对雷电的探测及定位进行了探索。通过有效探测雷暴区域的闪电活动，对临近的雷电活动进行预警，从而达到防范雷电灾害的目的。
3.由于闪电放电过程中产生的电磁波脉冲覆盖从甚低频(vlf)至超高频(uhf)很宽的频段，相比较声与光信号，其所含信息更为丰富。考虑到vlf/lf频段往往对应于闪电放电过程中较大尺度的回击或一些大电流过程，在此频段的定位通常可以获得闪电发生的有效位置，为此现有技术大多采用多站vlf/lf探测系统，使用高精度gps授时系统和到达时间差dtoa方法实现闪电的探测与定位。例如，《热带气象学报》上2018年6月公开发表的《基于vlf/lf三维闪电监测定位系统的北京闪电特征分析》，以及《电磁避雷器》上2021年3月公开发表的《基于不同频段的地闪回击脉冲波形的定位结果差异性分析》均是如此。多站，顾名思义，是通过三个以上的探测站实现闪电探测。
4.然而，现有vlf/lf探测系统存在定位精度低或探测范围小等技术局限，经过深入研究和试验，发现该问题主要由单频探测导致。雷电按照大类分，主要有云闪和地闪。闪电的发生与强对流云的发展密切联系，云内的第一个闪电几乎都是云闪，有些雷暴云中的闪电可能全部为云闪，而地闪伴随云闪而生，是云体对大地放电的一种现象，也是造成雷电灾害的主要雷种，对地面上的建筑物和人的危害最大。日常生活中，通常看到的闪电是雷雨云打到地面的闪电，即地闪，不受云体的遮挡；云闪通常发生在云层中，肉眼无法看到。正是基于云闪肉眼无法观测，以及无灾害性，因此在雷电探测中的过程中往往忽略对云闪的捕获。
技术实现要素：5.针对现有vlf/lf探测系统存在的技术局限，本发明提出一种单站多频雷电测距方法、定位方法及定位预警装置，采用vhf/vlf组合的方式，通过单个探测站实现雷电云闪与地闪的位置探测。
6.本发明保护一种单站多频雷电测距方法，通过雷电探测器进行探测，所述雷电探测器包括甚高频探测器和甚低频/低频探测器，所述甚高频探测器用于捕获云闪，所述甚低频/低频探测器用于捕获地闪。
7.一次云闪通过空间辐射到达雷电探测器的衰减辐射损耗 l
hs
＝32.45+20lg fh+20lg d，其中fh为所述甚高频探测器接收到的云闪信号频率， d为该次云闪发生位置与雷电探测器之间的距离；伴随该次云闪的地闪通过空间辐射到达雷电探测器的衰减辐射损耗l
ls
＝32.45+20lg f
l
+20lg d，其中f
l
为所述甚低频/低频探测器接收到的地闪信号频率。
8.l
hs
/l
ls
在fh、f
l
频率既定的情况下为确定值，根据l
hs
/l
ls
的确定值得到该次云闪发
生位置与雷电探测器之间的距离d。
9.本发明还保护一种单站多频雷电定位方法，根据上述单站多频雷电测距方法，得到云闪发生位置与雷电探测器之间的距离，再结合雷电的来电方向，实现雷电定位。
10.本发明还保护一种单站多频雷电定位预警装置，包括甚高频探测器、甚低频/ 低频探测器、gps时间同步模块和定位预警处理器，所述甚高频探测器、所述甚低频/低频探测器、所述gps时间同步系统均接入所述定位预警处理器；
11.所述甚高频探测器依次由vhf天线、第一放大器、vhf滤波器、第一a/d 转换器连接组成，所述甚低频/低频探测器由vlf/lf天线、第二放大器、vlf/lf 滤波器、第二a/d转换器连接组成，所述gps时间同步模块由gps天线和gps 接收机连接组成；
12.所述定位预警处理器根据所述甚高频探测器接收到的云闪信号频率fh和所述甚低频/低频探测器接收到的地闪信号频率f
l
，按照权利要求1所述的单站多频雷电测距方法，得到该次云闪发生位置与定位预警装置之间的距离d，再结合雷电的来电方向，实现雷电定位；与此同时，所述定位预警处理器向所述gps接收机输出同步触发信号，所述gps接收机通过串口输出时间同步信号至所述定位预警处理器，所述定位预警处理器通过该同步时钟信号标定所述定位预警处理器接收到的各类数字信号的到达时刻，用于临近雷电预警。
13.优选的，所述甚低频/低频探测器分为东西方向、南北方向两路，所述vlf/lf 天线分别由南北方向设置的环形天线和东西方向放置的环形天线正交组合而成；所述vhf天线环设于所述vlf/lf天线四周。
14.本发明的有益效果：通过本发明提供的多频雷电定位方法，单个探测站即可实现定位，相较于现有的多站vlf/lf定位技术，具有成本低、安装容易、方案部署简单、调试方便等优势，为大规模产业化推广应用奠定基础；距离测定由雷电在自由空间的衰减公式确定，基于一定的数据统计和经验矫正，在50km范围内，定位精度优于三站vlf/lf定位技术。
附图说明
15.图1为本发明公开的单站多频雷电定位预警装置结构框图；
16.图2为雷电探测器的天线布置示意图。
具体实施方式
17.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。
18.实施例1
19.一种单站多频雷电测距方法，通过雷电探测器进行探测，所述雷电探测器包括甚高频探测器(vhf)和甚低频/低频(vlf/lf)探测器。
20.云闪过程中的辐射能量主要集中在1mhz以上的高频段，因此甚高频 (30～300mhz)探测器用于捕获云闪；而地闪回击过程中的辐射能量主要以甚低频、低频的电磁辐射为主，因此甚低频/低频(3～300khz)探测器用于捕获地闪。
21.一次云闪通过空间辐射到达雷电探测器的衰减辐射损耗 l
hs
＝32.45+20lg fh+20lg d，其中fh为所述甚高频探测器接收到的云闪信号频率，d为该次云闪发生位置与雷电探测器之间的距离；伴随该次云闪的地闪通过空间辐射到达雷电探测器的衰减辐射损耗l
ls
＝32.45+20lg f
l
+20lg d，其中f
l
为所述甚低频/低频探测器接收到的地闪信号频率。
22.本领域技术人员公知，信号随距离变化的衰减辐射损耗是能够通过查表方式得到的。单纯从衰减辐射损耗l
hs
、l
ls
的计算式来看，存在两个变量，无法得出距离d，但是在fh、f
l
频率既定的情况下(通过滤波器选定)为确定值，则只存在距离d一个变量，则通过大量试验数据统计、分析，可以得出距离d与比值l
hs
/l
ls
的固定表，从而能够通过固定查表法求解得到距离d的求解。
23.实施例2
24.一种单站多频雷电定位方法，根据实施例1所述的单站多频雷电测距方法，得到云闪发生位置与雷电探测器之间的距离，再结合雷电的来电方向，实现雷电定位。
25.实施例3
26.一种单站多频雷电定位预警装置，如图1所示，包括甚高频探测器、甚低频/ 低频探测器、gps时间同步模块和定位预警处理器，所述甚高频探测器、所述甚低频/低频探测器、所述gps时间同步系统均接入所述定位预警处理器。
27.参照图1，所述甚高频探测器依次由vhf天线、第一放大器、vhf滤波器、第一a/d转换器连接组成；所述甚低频/低频探测器由vlf/lf天线、第二放大器、 vlf/lf滤波器、第二a/d转换器连接组成，所述gps时间同步模块由gps天线和gps接收机连接组成。
28.所述定位预警处理器根据所述甚高频探测器接收到的云闪信号频率fh和所述甚低频/低频探测器接收到的地闪信号频率f
l
，按照实施例1所述的单站多频雷电测距方法，得到该次云闪发生位置与定位预警装置之间的距离d，再结合雷电的来电方向，实现雷电定位。
29.与此同时，所述定位预警处理器向所述gps接收机输出同步触发信号，所述 gps接收机通过串口输出时间同步信号至所述定位预警处理器，所述定位预警处理器通过该同步时钟信号标定所述定位预警处理器接收到的各类数字信号的到达时刻，用于临近雷电预警。雷电预警信息中还可以包含雷电类型，雷电类型的判断为现有技术，不做展开阐述。
30.雷电探测器的天线布置结构参照图2所示，所述甚低频/低频探测器分为东西方向、南北方向两路，所述vlf/lf天线分别由南北方向设置的环形天线1和东西方向放置的环形天线2正交组合而成；所述vhf天线3环设于所述vlf/lf天线四周，底部通过固定座4支撑。
31.vlf/lf天线通过两个正交环形天线感应vlf/lf信号的幅度和极性，东西方向设置的环形天线感应南北方向磁场、南北方向设置的环形天线感应东西方向磁场，然后通过放大、滤波、a/d转换，磁场信号的幅度和极性数据发送至定位预警处理器，定位预警处理器比较两个环形天线上感应的磁场信号的幅度和极性，即可求出磁场方向，从而确定雷电的来电方向。此部分亦为现有技术，不做展开阐述。
32.显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域及相关领域的普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所
获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。
技术特征：1.一种单站多频雷电测距方法，通过雷电探测器进行探测，其特征在于，所述雷电探测器包括甚高频探测器和甚低频/低频探测器，所述甚高频探测器用于捕获云闪，所述甚低频/低频探测器用于捕获地闪；一次云闪通过空间辐射到达雷电探测器的衰减辐射损耗l
hs
＝32.45+20lgf
h
+20lgd，其中f
h
为所述甚高频探测器接收到的云闪信号频率，d为该次云闪发生位置与雷电探测器之间的距离；伴随该次云闪的地闪通过空间辐射到达雷电探测器的衰减辐射损耗l
ls
＝32.45+20lgf
l
+20lgd，其中f
l
为所述甚低频/低频探测器接收到的地闪信号频率；l
hs
/l
ls
在f
h
、f
l
频率既定的情况下为确定值，根据l
hs
/l
ls
的确定值得到该次云闪发生位置与雷电探测器之间的距离d。2.一种单站多频雷电定位方法，其特征在于，根据权利要求1所述的单站多频雷电测距方法，得到云闪发生位置与雷电探测器之间的距离，再结合雷电的来电方向，实现雷电定位。3.一种单站多频雷电定位预警装置，其特征在于，包括甚高频探测器、甚低频/低频探测器、gps时间同步模块和定位预警处理器，所述甚高频探测器、所述甚低频/低频探测器、所述gps时间同步系统均接入所述定位预警处理器；所述甚高频探测器依次由vhf天线、第一放大器、vhf滤波器、第一a/d转换器连接组成，所述甚低频/低频探测器由vlf/lf天线、第二放大器、vlf/lf滤波器、第二a/d转换器连接组成，所述gps时间同步模块由gps天线和gps接收机连接组成；所述定位预警处理器根据所述甚高频探测器接收到的云闪信号频率f
h
和所述甚低频/低频探测器接收到的地闪信号频率f
l
，按照权利要求1所述的单站多频雷电测距方法，得到该次云闪发生位置与定位预警装置之间的距离d，再结合雷电的来电方向，实现雷电定位；与此同时，所述定位预警处理器向所述gps接收机输出同步触发信号，所述gps接收机通过串口输出时间同步信号至所述定位预警处理器，所述定位预警处理器通过该同步时钟信号标定所述定位预警处理器接收到的各类数字信号的到达时刻，用于临近雷电预警。4.根据权利要求3所述的单站多频雷电定位预警装置，其特征在于，所述甚低频/低频探测器分为东西方向、南北方向两路，所述vlf/lf天线分别由南北方向设置的环形天线和东西方向放置的环形天线正交组合而成。5.根据权利要求4所述的单站多频雷电定位预警装置，其特征在于，所述vhf天线环设于所述vlf/lf天线四周。
技术总结本发明公开了一种单站多频雷电测距方法、定位方法及定位预警装置，利用甚高频探测器捕获云闪，利用甚低频/低频探测器捕获地闪；一次云闪通过空间辐射到达雷电探测器的衰减辐射损耗L
技术研发人员：黄德青 黄兴国
受保护的技术使用者：安徽中普信息技术有限公司
技术研发日：2022.07.15
技术公布日：2022/11/1
