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 21.1 ADTD 雷电探测仪的工作原理 2 1.2 雷电监测定位系统的构成 31.3 雷电探测仪的结构 4二、ADTD 雷电探测仪的技术功能指标 112.1 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 112.3 雷电探测仪的主要技术指标 11三、雷电探测仪的安装 133.1 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 223.11 探头的密封 22四、雷电探测仪运行设置和操作 234.1 DIP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 284.6 CPU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 415.1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1.1 ADTD 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：1.回击的放电时间：指回击发生时的自然时间。

1.闪电的回击数：每次闪电的回击次数。

1.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。

1.回击的电流值：指回击电流波形的峰值。

1.回击电流波形陡度最大值：指回击放电过程中单位时间电流变化的最大值，它反映了闪电回击放电最剧烈时的状况。

1.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。

1.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：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：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，通讯可以图1-1 雷击监测定位系统用多种途径来实现，如长途线，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，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，用于平衡罩外的气压。

1.3.2.1 部主连接电缆部主连接电缆，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图1-2 ADTD雷电探测仪1 玻璃钢罩21 GPS 天线2 天线部件3 射频屏蔽罩5 密封圈9 支柱4 电子盒19 P506-1020 P505-615 16 保险丝17 MOV 18 电源/图 1-3 ADTD 雷击探测仪主要组成单元6 GPS5 母板4 时基TIME 16 P301-103 CPU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------------------------------D GND3------------------------------RXD4------------------------------D GND5图1-5 电源电缆和通信电缆接点分配图+5VD G+15VA G-15VA GJ 505P 900+12VD GS TD GF LT D 1T D 1 R E T U R NR D 1R D 1 R E T U R NR E S E TR E S E T R E T U R NJ 900J 901P 901J 600J 602P 1000+5VG N D+15VG N D-15VG N D+12VG N DS TG N D F LT D 1T D 1 R E T U R NR D 1R D 1 R E T U R NR E S E TR E S E T R E T U R N图 1-6 内部电缆连接图二、 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，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。