本发明专利技术涉及一种临近空间闪电双脉冲探测装置，属于雷电科学与技术领域。装置采用宽带天线获取电场信号，GPS/北斗接收模块采集位置和时间信息，嵌入式软件模块对装置进行控制，包括初始化配置参数、设置信号采集参数、设置触发算法参数、接收和反馈命令、存储和导出数据等；采用干扰排除算法实时统计背景频谱能量和窄带触发窗口；采用闪电双脉冲信号识别算法动态调整触发阈值和窄带触发窗口数量；装置能与临近空间浮空平台通信，接收平台命令，回传状态数据。本发明专利技术提出的临近空间闪电双脉冲探测装置，能够搭载于平流层临近空间气球平台，针对闪电双脉冲信号进行探测，具有采样率高、重量轻、功耗低、计算量小、可在线识别等特点。可在线识别等特点。可在线识别等特点。
【技术实现步骤摘要】
一种临近空间闪电双脉冲探测装置
[0001]本专利技术涉及一种临近空间(海拔20km～30km)闪电双脉冲探测装置，属于雷电科学与
，装置搭载于临近空间气球浮空平台，用于平流层探测大气闪电双脉冲事件。
技术介绍
[0002]1995年，美国ALEXIS卫星最先报道了闪电双脉冲TIPP(Trans
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Ionosphere Pulse Pairs)的观测结果。闪电双脉冲由两个分立的无线电信号构成，信号间隔数十微秒，峰值功率可达10MW量级，频谱范围从25MHz到200MHz，是地球环境下最强的自然射电源。由于电离层的群速度色散效应，脉冲的高频部分先达到卫星，低频部分后到达卫星，形成了一个频率啁啾的信号；25MHz以下的低频射电波被电离层全部反射，而不能被探测到。
[0003]1997年，美国又发射了FORTE卫星对闪电双脉冲信号进行了深入广泛地测量。由于其射电探测载荷的触发阈值可调，从而观测到了更多的闪电双脉冲信号，累计近50万次，可以看出该现象是闪电过程中的一个常见现象。FORTE卫星主要揭示了闪电双脉冲的偏振、相干性、强度、双模性，及其与闪电光辐射的关系等特性。闪电双脉冲基本上是线偏振的。双模性是指有强和弱两种事件，强事件对应辐射功率更高，每个脉冲的宽度在微秒量级，频谱在较宽范围内比较平坦；弱事件功率低，脉冲小于100ns，频谱比较陡。闪电双脉冲与闪电光辐射的关联度不高，而且强事件的关联度更低。FORTE卫星在100MHz以上的数据还显示了两个脉冲的内部结构完全无关。
[0004]2008年，我国原总装备部防化研究院利用试验三号卫星电磁脉冲探测器，也测到了闪电双脉冲信号，由于探测器的带宽限制，不能给出信号的时域波形。
[0005]2012年，俄罗斯发射了针对闪电双脉冲的科学小卫星Chibis
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M，测量到了单事件的射电信号，也就是只包含一个脉冲；并认为这些事件是由远处的近平视界的闪电导致的，这时两个脉冲在时间上发生了重叠，合并成一个脉冲。
[0006]从闪电双脉冲发现之日起，人们就提出了一个比较简单的解释，认为雷电云里发生了一种特殊的云中闪电，叫做“紧致云闪”。该闪电可以产生很强的无线电波，并向四面八方传播，沿着紧致云闪到卫星直线距离的射电波形成了闪电双脉冲的第一个脉冲，由地面反射延时一段时间后到达卫星的信号构成了第二个脉冲。这个解释被称为反射模型。
[0007]2015年，浙江大学武慧春教授提出了一个新解释，认为强射电双脉冲产生于地闪的梯级先导，闪电通道接触地面时，最靠近地面的两步先导分别产生了两团高能电子，这些高能电子的能量使得他们足以打击到地面。之后，通过一种叫作“相干渡越辐射”的机制辐射出无线电波，相干渡越辐射是由于电子穿过空气和地面的交界面发生的。由于相对论的探照灯效应，这些渡越射电辐射准直性极高，向电子的反向发射，也就是朝着太空；它们透过云层、临近空间、电离层，最后到达卫星。该理论首次成功解释了绝大多数卫星观测数据。
[0008]为了验证闪电双脉冲产生的物理机制，需要无畸变地探测闪电双脉冲信号。但卫星探测的先天缺陷是射电信号必须穿过电离层，电离层色散会严重扭曲射电信号的波形，使得人们不可能反演闪电高能电子的特性。气球临空探测可完美地避免这一缺陷，测得的
信号将是真正的原初闪电双脉冲波形，允许反推高能电子的特性，进一步揭示闪电双脉冲产生的物理机制。根据查新结果，目前国内尚没有能够实现临空闪电双脉冲探测功能的设备或装置。
[0009]专利技术专利“区域性雷电预警方法”(专利号200310116065.4)，公开了一种同时监测雷雨云静电和甚高频辐射波的雷电预警方法，在同时监测到雷雨云产生的电场和甚高频辐射波的情况下发出雷电报警，可比较准确地预警雷电，避免大气电场仪和甚高频接收机单独监测时的虚报，可有效减小系统虚警率，提高监测效率。
[0010]技术专利“一种甚高频雷电监测装置”(专利号201720857009.3)，公开了一种闪电定位装置，利用双锥天线、高频放大电路、高频电路和中频放大电路组成甚高频雷电电磁脉冲信号接收装置，可提高闪电定位系数精度。
[0011]专利技术专利“一种多站闪电甚高频辐射源三维定位方法和系统”(专利号201310108397.1)，公开了一种闪电甚高频辐射源三维定位系统，包括至少三个单站站点和一个数据处理中心，可探测大范围闪电的三维空间演变特征，有效扩大单个测站探测距离。
[0012]专利技术专利“融合甚高频和雷声探测的雷电全过程监测方法及系统”(专利号201810772012.4)，公开了一种甚高频和雷声探测及定位方法，通过甚高频以及雷声三维定位算法和数据聚类融合处理方法，能够提供闪电发生发展以及击穿全过程通道的三维监测结果，便于多角度理解闪电的放电机制。
[0013]上述专利针对闪电定位开展研究，但不具有波形采集功能，无法通过波形反推高能电子的特性。
[0014]专利技术专利“甚低频与甚高频结合的全闪电定位系统”(专利号200910090116.8)，公开了一种能实时监测和三维定位闪电放电的多站定位系统，包括至少四个闪电定位监测站点，每个站点内设有甚低频闪电辐射接收机、甚高频闪电辐射接收机、GPS接收机、工控机，可确定一个指定区域内发生闪电放电事件的数量、类型和特征参数以及其统计特征，对雷电活动进行监测预警。
[0015]技术专利“闪电多频段探测观测站及系统”(专利号201420488037.9)，公开了一种可对闪电甚低频、低频、高频、甚高频多频段综合探测的观测站。每个观测站由宽带慢电场变化探测仪、宽带快电场变化探测仪、甚高频辐射源探测仪和高速数据采集板卡组成。通过设置多个观测站，可对闪电的放电过程及其发展传输特性进行研究。
[0016]专利技术专利“短基线时差法超高频闪电辐射源探测定位系统”(专利号200510041997.6)，公开了一种融合电场测量和时差法的短基线超高频闪电辐射源探测定位系统，可以实现闪电辐射源的单站精确探测和定位，克服了现有电场测量法和时差法闪电定位系统的一些不足。
[0017]专利技术专利“一种实时反馈电磁场测向天线系统”(专利号201910348999.1)，公开了一种用于雷电信号探测的实时反馈电磁场测向天线系统，通过对磁环天线的设计实现了在高灵敏条件下的角度精确识别，克服了现有技术中对雷电信号测向受背景电磁信号影响大、探测灵敏度不足的问题。
[0018]上述专利的缺点是不具有针对闪电双脉冲的触发算法，无法从类型众多的闪电信号中识别双脉冲信号。
[0019]文献“双极性窄脉冲自动识别及统计分析”(电磁避雷器，2019年第2期)介绍了一
种闪电双极性窄脉冲自动识别方法，通过对闪电双极性窄脉冲波形中多个时域参量的统计分析，选取高频幅度比等9个参数作为识别判据，对混杂在常规闪电放电中的双极性窄脉冲进行自动识别，识别率达到87.01％。
[0020]文献“闪电电场变化波形时域特征分析及放电类型识别”(气象，第3本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种临近空间闪电双脉冲探测装置，其特征是该装置包括宽带天线(1)、GPS/北斗接收模块(2)、模拟前端调理电路(3)、模数转换模块ADC(4)、前处理器FPGA(5)、数据缓存器(6)、后处理器FPGA(7)、数据存储卡(8)、网络模块(9)、通信模块(10)；宽带天线(1)探测的模拟信号输入到模拟前端调理电路(3)，经模拟前端调理电路(3)阻抗变换、信号增益变换和低通滤波后，输出到模数转换模块ADC(4)；模数转换模块ADC(4)将模拟信号转换为数字信号，输出到前处理器FPGA(5)；前处理器FPGA(5)将数据存储至数据缓存器(6)并随时调用；前处理器FPGA(5)输出端连接后处理器FPGA(7)的片间LVDS通信接口(71)；数据存储卡(8)连接后处理器FPGA(7)的SD存储接口(72)；网络模块(9)一端与后处理器FPGA(7)的RGMII网络接口(73)连接，网络模块(9)另一端与上位机(15)连接；通信模块(10)一端与后处理器FPGA(7)的SPI通信接口(74)连接，通信模块(10)另一端与浮空平台载荷舱管理计算机(14)连接；GPS/北斗接收模块(2)输出端连接后处理器FPGA(7)的UART&IPPS接口(75)；后处理器FPGA(7)的LVCMOS控制接口(76)连接模拟前端调理电路(3)，并对模拟前端调理电路(3)的增益进行控制；后处理器FPGA(7)的JESD204B&SPI接口(77)连接模数转换模块ADC(4)，并对模数转换模块ADC(4)的采样率进行控制；后处理器FPGA(7)包含嵌入式软件模块(11)；嵌入式软件模块(11)包括干扰排除算法模块(12)、闪电双脉冲信号识别算法模块(13)，干扰排除算法模块(12)、闪电双脉冲信号识别算法模块(13)依次相连。2.根据权利要求1所述的一种临近空间闪电双脉冲探测装置，其特征是嵌入式软件模块(11)操作步骤如下：开始
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初始化模拟前端调理电路(3)
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初始化数据缓存器(6)
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加载固件到后处理器FPGA(7)配置空间
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初始化外设
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配置模数转换模块ADC(4)
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设置前处理器FPGA(5)参数
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接收GPS/北斗接收模块(2)信息
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进入背景普查模式或科学探测模式
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【专利技术属性】
技术研发人员：曹保锋，李小强，李鹏，郑毅，宋立军，郝立亮，赵洪伟，
申请(专利权)人：中国人民解放军军事科学院防化研究院，
类型：发明
国别省市：
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