ADTD雷击探测仪用户手册

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21.1ADTD雷击探测仪的工作原理21.2雷击监测定位系统的构成31.3雷击探测仪的结构4二、ADTD雷击探测仪的技术功能指标112.1每个雷击探测仪布站配置112.2雷击探测仪布站连接简图112.3雷击探测仪的主要技术指标11三、雷击探测仪的安装133.1安装场地要求133.2安装基座133.3探头供电133.4探头接地133.5通讯标准及波特率173.6探头与中心数据处理站间的通信173.7通讯电缆183.8探头的安装及水平调节183.9探头NS磁场天线环方位的调整183.10探头的初次通电223.11探头的密封22四、雷击探测仪运行设置和操作234.1DIP开关的设置234.2探头的运行方式254.3探头的数据输出及帧格式254.4自动自检284.5探头命令284.6CPU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415.1探头的检修维护412维修程序设置及测试终端连接445.3探头故障修理472一、概论1.1ADTD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昀大的是云地闪电。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—……闪电的放电过程中昀重要的是回击过程，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.回击电流波形陡度昀大值：指回击放电过程中单位时间内电流变化的昀大值，它反映了闪电回击放电昀剧烈时的状况。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：z回击的放电时间3z回击发生的位置z100公里处回击波形的强度峰值z100公里处回击波形陡度值z100公里处回击波形陡点时间z100公里处回击波形前沿上升时间z100公里处回击波形宽度z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KA0·1μSKA/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，如长途电话线，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…………51.3.2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1-2ADTD雷击探测仪71玻璃钢罩21GPS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10AFE板11屏蔽板12PDL板13CPU板14时基板4电子盒19P506-1020P505-615电源开关16保险丝17MOV压敏电阻18电源/接口板8电源/接口盒图1-3ADTD雷击探测仪主要组成单元86GPS接收机OEM板图1-4电子盒内结构15P101-108LED显示灯9DIP开关10SMCP401-17FPGA14P506-1013P505-611J50312P4005母板4时基TIME板16P301-103CPU板2PDL板1AFE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，用两个螺丝关闭，电源/接口盒安装在仪器舱托盘下面的电源腔中。电源/接口盒内有两个部分，一是交流电源托架，一是电源/接口板，包括探头的电源、瞬变保护、状态指示、以及通讯和电源接口等。电源/接口盒后面的两个小圆形连接器（P1000-5和P1001-3）为与外部的交流电源和数据线提供连接，电源电缆和通信电缆节点分配见图1-5。电源/接口盒后部的大圆形连接器（P901-19）与内部主电缆连接（见图1-6）。电源/接口盒底部还焊有一个螺栓，可用一根铜编织线把探头的地连接到地。P1001-3的连接方法：1------------------------------市电~220伏（L）2------------------------------市电~220伏（N）3P1000-5（RS-232接口）的连接方法1------------------------------TXD2------------------------------DGND3------------------------------RXD4------------------------------DGND5图1-5电源电缆和通信电缆接点分配图101234567891011121314151617181978934125610123451234126543211234567891011121314151617181912345678910111213141516171819123456789101112131415161718191234567812345678910+5VDG+15VAG-15VAGJ505P900J902+12VDGSTDGFLTD1TD1RETURNRD1RD1RETURNRESETRESETRETURNJ506J900J901P901J600J602P1000+5VGND+15VGND-15VGND+12VGNDSTGNDFLTD1TD1RETURNRD1RD1RETURNRESETRESETRETURN图1-6内部电缆连接图J60111二、ADTD雷击探测仪的技术功能指标雷击探测仪的结构见图1-2。它的电子盒放在玻璃钢保护罩内，由平板电场天线，正交环磁场天线，GPS接收天线以及具有预编程的微处理机系统组成，通过主电缆与电源接口盒相连。它的主要功能是自动地接收和处理闪电电磁脉冲信号，并把经过预处理的闪电数据实时地通过通讯系统送到中心数据处理站实时进行交汇处理。2.1每个雷击探测仪布站配置：雷击探测仪一台调制解调器一台350W交流稳压电源一台通讯和电源电缆，根据现场配置2.2雷击探测仪布站连接方框图雷击探测仪布站连接方框图见图2-1。44雷击探测仪调制解调器通讯线路交流稳压电源图2-1雷击探测仪各站配置及连接通信采用四线全双工。雷击探测仪安装在室外开阔地带，其他设备全