新型智能雷電災害預警系統設計

2021-11-20 · 閱讀247

0引言

雷電災害發生的瞬間會產生巨大的電流、電磁波、超高的溫度以及對地面具有強烈沖擊的有效沖擊波。按照不同的放電現象,可以將雷電災害分成多種性質,現階段人們更多研究的是云層放電以及對人類傷害較大云地放電，上述兩類放電現象又被稱為云地閃和云間閃。根據我國有關部門研究統計,地球上每秒鐘越有超過1 800 個雷電活動區出現雷電災害,這些雷電區可以產生每秒1 000次以上的云地閃和云間閃。在雷電發生的瞬間，強大的閃電電磁波的侵蝕會造成人員直接傷亡或者周圍物體或基礎設施部分甚至全部功能喪失，從而產生嚴重的經濟后果。從傷害范圍和綜合傷害程度上來看,雷電災害已經成為我國最嚴重的氣象災害之一,我國屬于全球范圍內雷電高發區,對于雷電災害的準確預測和相關預報研究,已經成為我國相關部門急需解決的問題雖然雷電災害的發生速率較快,但是通過科學技術進行合理的雷電災害預警防護是可行且有效的。20世紀70年代以來,隨著相關科技的不斷發展,尤其是無線.傳感網絡和電機計算機技術的革新,具有無線傳感自動化特征的雷電探測定位預警,已經成為一個專有的研究領域。其研究原理主要是探測雷電發生時的光波、音效、電磁波等可測信號,對其放電類型進行有效預測，這些在天氣監測和預報中均起到主導作用。目前國內市.場上的雷電災害預測系統整體產品雖然已經可以做到快速預警,但是單一產品的有效輻射區域較小,其核心.原因在于信號傳感的限制。對此基于無線傳感網絡技術,設計了新型雷電災害預警系統,在保證預警速率的前提下，通過利用無線傳感技術,提高預警系統的有效傳輸距離,從而提高預警系統的有效輻射區。

1基于無線傳感網絡的智能防雷雷電災害預警系統設計

基于無線傳感網絡的雷電災害與預警系統主要由雷電數據采集模塊、系統定位模塊、系統數據傳輸以及系統電源模塊構成。雷電數據的采集模塊其核心是一個360度全方位感應式雷電無線傳感器。該傳感器支持四周全方位信號數據探測,可以有效獲取雷電電磁波信號;定位模塊整體采用了BD/GPS雙模板芯片,該芯片可以提供系統自身的經緯度信息以及雷電災害發生瞬間的時間信息,此外該模塊可以提供1pps格式信號,保證系統數據傳輸的同步精度系統數據傳輸通信串口可以完成系統數據信息的無線傳輸,實現雷電災害的預警。以下為系統各部分的設計過程。

1.1 360度雷電傳感器

360度雷電傳感器是基于無線傳感網絡技術，設計的系統前端數據傳感部分,該傳感器主要負責雷電信號的采集和初步傳輸工作。傳感器采用雙通道模式，可以分別記錄雷電云間閃以及云地閃不同時期的電磁波脈沖次數A利用LED陣列數據,集中顯示當前云地閃的實時強度。因為通常情況下，云地閃一般出現于云間閃之后,所以當LED陣列數據出現響應時,云間閃的記錄一般已經出現了高頻次數據。此時，預警數據被后續模塊傳輸,實現預警觸發?？刂破骺梢酝ㄟ^數據內部記錄的云地閃以及云間閃數據,對雷電預警觸發點進行判斷,并輸出雷電電平信號。雷電觸發信號具有兩個通路,分別對應云地閃和云間閃，傳感器結構如圖1所示。
傳感器前置探測天線主要負責采集閃電的低幀低頻電磁波信號。其接收天線對云地閃測量頻率為.8kHz,云間閃測量頻率為24kHz。天線頻段同樣分為兩個,每段包括兩根天線,保證全角度測量。天線采用防水結構灌封，蓋板采用CRE全銅鍍金材料。其技術參數如表1所示。

外部的電源天線可以對定位模塊進行供電，而定位模塊則負責檢測雷電傳感器天線的接收狀態和線路保護狀態。傳感器將接收到的電磁波信息傳送給定位模塊內的雙模射頻芯片，在芯片內部進行數據放大,再經.過混頻后進行下級中頻濾波處理。處理后經過AD轉化成數字信號，傳送給基帶芯片。基帶芯片接收到這些信號和串口電路傳送過來的拆分信號后，通過串口輸出數據并生成1pps信號。模塊使用的信號格式為NEMA標準信號格式,在該格式下，數據字符使用ADCII 字符。傳輸方式使用“語句傳輸”,每個語句代號為“&”、“會話ID’ “語句ID’ ‘數據體”等。傳輸數據字段以逗號進行分割,語句末尾添加資源尾綴“CHECKSUM。每行語句包括回車和“&”，最多為57個語句字符。設計定位模塊語句結構如表2所示。

1.3實現雷電災害預測.

系統數據傳輸模塊采用的時一款基于GPRS網絡的無線數據傳輸終端引擎設備。該設備可以有效提供數據傳輸通道,保證通道透明性,方便遠程無線網絡化的數據傳輸,是設計提高有效監測區域的核心構件之。該終端內置30kB大型緩存區,內部采用動態數據劃分技術，提高內存區使用效率。以傳輸終端設備為核心的數據傳輸模塊采用通用分組無線服務技術，簡稱RPSE。其傳輸主要以數據包的形式進行。數據包內部為DTU,即數據傳輸單元,傳輸過程分為三部分。首先將定位模塊發送傳輸的信號數據轉換為IP數據包，再將IP數據包通過無線傳感網絡,傳輸給終端設備或者服務器,最后將已經完成傳輸業務的IP數據包轉換為串口數據。整個傳輸過程主要由客戶設備、DTU、后臺數據中心以及服務器SOCKEY連接,構成整個傳輸脈絡。在數據傳輸錢,客戶設備主要通過傳輸接口232以及串口485與DTU相互連接,將傳輸信息注冊到后臺數據中心，實現數據調用和存儲。數據包DTU整個工作過程如下:數據包連通后，讀取內部PT-FLASH中的撥號參數,串口數據波特率以及數據中心IP地址等工作參數;數據包登錄后臺網絡,進行網絡PPS撥號,撥號成功后,提取后臺分配IP地址;將數據包與數據中心相連,建立通信鏈路,鎖存災害信息，完成雙向通信,實現數據預測。

2實驗數據分析

上述過程完成了基于無線傳感網絡的雷電災害預警系統的設計。為了詳細驗證該系統能否有效提高雷電災害預警監測范圍，進行實驗。根據實際地址情況,在雷電災害仿真基地共設置五個仿真探測點，點位坐標分別為
( 120.356 852 65°，31.558 623 26°) ( 120.559 655 26°,
31.526 536 23°) ( 120. 365 625 689°, 32.265599 85°)
( 120.265 869 850)( 120.658 885 48°,31.903 405 85°)。

在上述仿真探測點上，分別設立實驗組和對比組。令實驗組選擇新設計的雷電災害預警系統,令對比組選擇傳統預警系統，分別進行預測。點位1數據接收到的時間段為1.37 s、點位2數據接收到的時間段為1.28 s,點位3數據接收到的時間段為1.35s,點位4數據接收到的時間段1.33 s,點位5數據接收到的時間段為1. 19 s。針對數據接收結果，分別對比五個探測點，以及實驗組和對比組云地閃和云間閃的有效監測預警范圍http://www.cn-sublime.com/。

2.1云地閃有效預警范圍對比

按照數據信息,將實驗組和對比組云地閃的測量數據進行解析,提取完全有效數據和次有效數據,對比其有效范圍,其結果如表3所示。(有效數據指準確率為95%以上的數據,次有效數據為準確率在85%以上的數據。表3云地閃有效預警范圍對比
因為各探測點的地理條件和相關雷電信息頻率不.同,所以整體有效和次有效監測范圍有些許出入。根據表3數據可以看出,實驗組有效監測范圍區間為1.22平方公里到1.45平方公里之間,次有效監測范圍為3.15
平方公里到3.32平方公里之間;對比組有效和次有效監測范圍分別為1.01 到1.15平方公里和2.89到3.01.平方公里范圍內。根據數據范圍可以直觀看出，實驗組的有效預警范圍提高了19. 5%左右。

2.2云間閃有 效預警范圍

按照上述方式,對實驗組和對比組針對云間閃的有效預警范圍進行統計,其統計結果表4所示。
表4云 間閃有效預警范圍對比