ADTD雷电探测仪用户手册.docx
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ADTD雷电探测仪用户手册
雷电监测定位系统
ADTD雷电探测仪
用户手册
中国科学院空间科学与应用研究中心
ADTD雷电监测定位系统课题组
二○○四年十月
目录页号
一、概论2
1.1ADTD雷电探测仪的工作原理2
1.2雷电监测定位系统的构成3
1.3雷电探测仪的结构4
二、ADTD雷电探测仪的技术功能指标11
2.1每个雷电探测仪布站配置11
2.2雷电探测仪布站连接简图11
2.3雷电探测仪的主要技术指标11
三、雷电探测仪的安装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、雷电探测仪运行设置和操作23
4.1DIP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
4.6CPU板、PDL板以及电源/接口板上的LED灯的涵义39
五、雷电探测仪维修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
一、概论
1.1ADTD雷电探测仪的工作原理
———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：
回击的放电时间：
指回击发生时的自然时间。
闪电的回击数：
每次闪电的回击次数。
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。
回击的电流值：
指回击电流波形的峰值。
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。
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。
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
*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
0·1μS
KA/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雷电监测定位系统的构成
———ADTD雷电探测仪+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电探测仪（以下简称探头）可以构成一个雷电探测定位系统网。
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。
…………
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雷电探测仪的结构
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。
1.3.2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园柱面金属板（3，图1-3）和一个园形金属平板进行电屏蔽的。
两块半园柱面金属板装在安装托盘上面的一个园形导槽中，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园形印刷电路板的顶表面上的铜皮和四根特殊机加工
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园形连接器（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/接口盒后部的大园形连接器（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）
3
P1000-5（RS-232接口）的连接方法
1------------------------------TXD
2------------------------------DGND
3------------------------------RXD
4------------------------------DGND
5
图1-5电源电缆和通信电缆接点分配图
二、ADTD雷电探测仪的技术功能指标
雷电探测仪的结构见图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，并把经过予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每个雷电探测仪布站配置：
雷电探测仪一台
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雷电探测仪布站连接方框图
雷电探测仪布站连接方框图见图2-1。
44
雷电探测仪调制解调器通讯线路
交流稳压电源
图2-1雷电探测仪各站配置及连接
通信采用四线全双工。
雷电探测仪安装在室外开阔地带，其他设备全部安置在附近室内。
2.3雷电探测仪的主要技术指标：
（1）探头由80C196单片机管理，完全按予编程方式工作，无人值守。
80C196的钟频最高能到16MC，这使得每个闪回击的处理时间在1ms左右。
（2）探头的赋能阈值，状态报告的周期，通信波特率等参数可按需要设置在非易失存储器内，也可用相应的命令改变。
（3）探头内部设有精基时钟，分辨率为0.1μS。
精基时钟提供小时中断信号，使探头进行整时自检。
精基时钟由授时型的八通道GPS接收机OEM板历书中的时间信息同步，时、分、秒部分除上电对钟外，自检时也进行对钟。
（4）上电、整时时自动地进行工作状态检测和校准，并定时输出状态数据，输出状态数据的周期可用命令设置。
亦可通过命令或按RESET键随时进行自检，调出工作状态，进行诊断。
（5）数据以串行的二进制或ASCII形式输出，数据输出内容包括：
成闪时间，波形特征值，闪电方位角，磁场强度，电场强度，陡点幅值。
（6）探头信道增益相当于中增益ALDF探头的增益。
（7）探头的探测效率在监测网内可达95%。
（8）采用峰值门控技术及自动修正，使测角误差小于±1°。
（9）回击的时间分辨率为1ms左右。
（10）能测量四个波形特征参数：
上升沿、陡点、下降沿的时间以及陡点的幅值。
（11）通讯接口为EIA-RS-232-C，异步通信方式，速率300～38400波特可用CPU板上的DIP开关设定，或用BAUDRATE命令设置。
探头发送和接收的数据格式为8BIT的数据位，1BIT的停止位，无校验位。
（12）探头可由CPU板上的DIP开关设定为维修程序，执行维修程序后便于检测诊断故障或调试电路。
（13）探头的市电220伏供电电源线上和通信接口的数据线上均接有抑制浪涌的器件。
（14）探头平均无故障时间为10000小时以上。
（15）工作环境
工作环境温度：
-40°～+50℃
储存温度：
-40°～+85℃
湿度：
0～100%
风力：
0～74km/hr（八级风）
（16）电源：
市电～200V到～240V，AC功耗小于25W。
（17）可维修性：
维修时间短于30分钟。
（18）尺寸：
高约1.5米，直径34cm。
（19）重量：
60kg。
三、雷电探测仪的安装
3.1安装场地要求
推荐的探头安装场地应是一块相对平坦的空旷地域。
严格要求在30m范围内地平度＜±1°，在300m范围内地平度＜±2°；在300m范围内应没有高于探头10m以上的任何物体包括各种围墙、动力线、树木等。
如有建筑物，探头应远离各类建筑物4倍建筑物高度距离。
附近无任何高山或峡谷。
不推荐把探头安装在建筑物上或塔上，这样安装的探头要高出地表面一段距离，这与在实际地面测出的电场关系产生变化，从而引起不利效应。
3.2安装基座
推荐把探头安装在水泥墩上或用槽钢做成的支架上，如图3-1、图3-2所示。
在浇注水泥墩时，予先埋进三根螺栓（M12×300），均布在Φ288的圆周上。
如果用槽钢做成的支架，则三根螺栓（M12×100）也是要均布在Φ288的圆周上。
3.3探头供电
采用交流220V50HZ的市电供电。
交流供电电缆在距探头的30m范围内要埋设，并且要径直引到探头，不要绕行。
市电供电适用于50HZ，～200—240V，实际运行时，经交流稳压电源供电，探头功耗＜25W。
为防止闪电感应过电压“浪涌”的影响，在探头的接口/电源盒内安装了三只金属氧化压敏电阻（MOV），它们分别接在相线、中线和地之间以及相线和中线之间。
对于短暂的瞬态或“浪涌”，可由MOV短路到地。
对于较长时间的“浪涌”，MOV的性能要变坏，一般失效模式是短路，使市电相线上的保险丝烧毁，从而保护了探头的电子器件。
接口/电源盒内的托架上有一个窗口，通过它可看到MOV，通常MOV是绿色，如果变成暗色表示它已失效，应即时更换。
3.4探头接地
有两种不同的要求必须由良好的探头地实现。
一是由闪电引起的在动力线和通讯电缆上产生的瞬态电流保护到地；二是良好接地可提供一有效的探头天线地平面的参考。
图3-2槽钢基架结构图
在潮湿低阻土壤的地区，用单根地桩可以达到上面两个要求，地桩可以用包铜钢、实心铜棒、不锈钢等，其直径至少要16mm，总长度2.6m，15cm露出地面，其余垂直打入地下。
在有岩石的地基上可以倾斜把地桩打入地下，其与垂直构成的角度应小于
45°。
在沟渠地方也可把地桩深埋在1m左右的地下。
不管哪种方式地桩与大地的接触长度应在2.5m以上。
在地理条件较差的地区，土壤很干燥，如沙丘、岩石土壤，仅用一根地桩不能满足要求，此时需要考虑增加地桩，埋设铜地板以及进行土壤的化学处理等方法。
如果采用铺设地平面方法，将至少要有8个辐射单元，相邻单元互成45°，每
个辐射单元至少要3m长，采用粗导线，其对地阻抗由与地面接触总的表面积决定（图3-3）。
总之，接地电阻通常应该≤5Ω，不能满足此要求的，应用增加接地极等措施解决。
3.5通讯标准及波特率
探头与中心数据处理站间的通讯是借助于全双工（双向）异步串行方式完成的，探头的数据输出接口为EIA－RS－232－C，在信道上能以300至38400baud的任一个标准的波特速率传送数据。
数据传输波特率可用CPU板上的DIP开关或BAUDRATE命令设置，传输数据格式为“N，8，1”，即无校验位、8位数据位和1位停止位。
3.6探头与中心数据处理站间的通信
探头与中心数据处理站间互相通讯的框图如图3-4所示。
其中远程通讯的实现可以是有线亦可以是无线传输方式。
ABCD
雷电探测仪MODEMMODEM智能卡中心数据
处理站
图3-4雷电探测仪与中心数据处理站通讯连接图
其中：
A．双绞对屏蔽电缆
B．四线全双工的远程通讯线路（不推荐单工，1对线）
C．25芯扁平电缆
D．25芯扁平电缆
3.7通讯电缆
通讯电缆的线径与电缆的长度和波特率有关。
对于0.5mm直径的电缆在1200baud应用时可用到1200m长，如果再长则要采用0.8mm以上直径的电缆。
这类电缆均是外有屏蔽网内有两对绞线形式。
在距探头30m范围内的电缆要埋设，并且要径直引至探头，不要绕行。
3.8探头的安装及水平调节
探头是通过其底盘上的安装孔固定在水泥基座上，如果是采用槽钢架基座时，固定可采用每根螺丝上加四个螺母方式，其中两个用于固定在基座上。
另两个用于固定探头的底盘。
通过调节后两个螺母上下位置即可调节探头的水平度。
在底盘固定过程中，要用水平尺检查底盘的水平度，大致固定后，装上探头仪器舱，再用水平尺在探头的平板电场天线上测量水平度，最终以电场的平板天线达到水平最佳位置为准，紧固安装螺丝。
3.9探头NS磁场天线环方位的调整
探头的NS磁场天线环必须被调节在正北向的±0.25°之内，以保证探头测角精度。
通常这是在当地正午时分完成调节的。
此刻恰是太阳处在天空的最高点上。
除在赤道上外，在此刻太阳的阴影是正南北向的。
随探头一起提供的日晷就是利用这一原理为调节天线方位用的（见图3-5）。
当然也可以用传统的方法来调节，如采用普通罗盘方式，但这只能是临时性的。
更准确的定向还是应用日晷或是专业性的瞄准器。
但不论哪种方法定方向之前必须先调好水平。
日晷是太阳所在分度盘上的位置指示器，探头上用的日晷即是以太阳阴影的位置表示予定时间上太阳的方位这一原理做出的。
结构很简单：
在一个经精密机加工的黄铜圆柱体上安插了一根垂直的不锈钢杆而构成，使用时把它准确的放置在天线装置顶平面的中心位置，在天线装置的顶平面上划有标明EW、NS方向的线条。
此线条已画得很精细，能够精确地指出天线的真实方位。
探头布站后，天线校准就是利用计算好的当地太阳运行的正午表，在规定的时刻调整天线方位，使天线上的NS方向刻线与太阳阴影相重合，来实现的。
用日晷校准天线的方位，方法简单容易实现。
要求条件之一是校准时，当地天气要晴朗，不能是阴天，否则阴影看不清。
用日晷方法在不同地理位置使用其太阳阴影长短不同，在回归线附近要变短，在赤道附近变得更短，甚至是一个点，在这些地区附近南北向的正午表不实用，要用东西向为好。
另外用日晷时正午表的阴影在北半球地区，阴影指向北方，而在南半球日晷的太阳阴影则指向南方。
日晷正午表中的时间是当地的标准时间。
在正午表中（见图3-6），有三个不同的时间列在日期的下面，中间的时间是当地的实际的正午时间，而上面的时间是早晨用来对正北的时间，下面的时间是黄昏用来对正北的时间。
天线的1度的调整误差表示出离探头100公里远的地方产生约1.7公里的误差距离。
因此天线方位的调整误差直接影响到测量误差。
太阳正午表是通过计算机SOLAR软件计算出来的，为此要知道探头布点的精确的经纬度参数，经纬度误差应在±0.0003°内。
计算天文表的步骤：
1、在微机上装SOLAR·EXE、SOLAR·DOC两文件；
2、进入EDLIN用户文件名·DAT：
举例：
C＞EDLIN用户文件名·DAT（CR）
*I（CR）
1：
1，-8，27.9075，102.21，QXSHdf4
说明号：
123456
解释：
1、从该月开始算，需要几个月的天文表，就输入几；
2、探头所在时区（中国按北京时间为东8时区或-8时区）；
3、探头站址的纬度；
4、探头站址的经度；
5、db中规定的探头名字；
6、db中规定的探头号。
^C
*E（CR）
C＞
3、运算天文表：
C＞SOLAR用户文件名·DAT用户文件名·OUT（CR）
图3-6太阳正午表举例
4、打印PRINT或显示TYPE天文表：
C＞PRINT用户文件名·OUT（CR）
3.10探头的初次通电
当探头的电源/接口盒安装好，主电缆接通仪器舱后可以进行加电实验。
为防止意外可以先拔下母板上的电源供电插头J505和通讯插头J506以及晶体振荡器供电插头J902，此时仪器舱内不供电。
然后按下电源盒的～220V开关，使电源工作，并用电表检查+5V，±15V，+12V直流电压是否正常，与此同时要检查一下仪器舱各路负载是否有短路情况，如果均正常，则可以关机，插上J505、J506以及J902重新启动电源，探头开始运行。
加电后探头首先进行自检，如果探头接地良好，探头背景噪声不超出允许范围，探头运行参数设置正确应能顺利通过自检，开始正常运行。
如果自检多次仍不能通过自检，需借助测试终端进行检查，这在后面有关章节介绍。
3.11探头的密封
当探头的加电试验通过自检，运行正常，而且天线水平及NS方位调节亦已完成，则探头可以密封，此时把电源/接口盒门关严，拧紧气压卸压阀的帽盖，探头仪器舱内放进干燥剂，盖严玻璃钢罩并用三个螺丝拧紧，以使其密封、防潮。
四、雷电探测仪运行设置和操作
本章节主要是介绍探头的两种运行模式以及怎样选择和进入这些模式，并且详细介绍一些用于分析运行和诊断失效的指令。
在此之前，还要首先说明怎样通过CPU板上的DIP开关进行探头运行参数的设置。
4.1DIP开关的设置
探头运行时的波特率和缺省的赋能阈值电压，这两种均是通过设置8位DIP开关S301的不同位置而确定的，此开关设置的改变也能使探头从通常的运行程序进入到维修程序。
通过改变开关的设置，达到满足人为的需要，进行人工干予的目的。
此开关是在电子盒中的CPU板的上边，在电子盒盒盖前面板的对应位置处开有窗口，随时可以方便地改变设置。
下表4—1列出的是S301DIP开关的功能：
S301开关设置及功能
1，2，3，
4
5，6，7，8
设波特率
专用于维修程序
赋能阈值
其开关最左边为第1位，最右边为第8位，每位开关置在上位置为ON=“1”，置在下位置为OFF=“0”。
在正常运行程序时，开关4必须置在OFF，使维
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