中国建筑学会建筑雷电防护学术委员会2023年第六次技术交流网络会议
时间：8月18日下午14：00
主题：
断路器用作故障保护的允许线缆长度-原理分析与工程应用
摘要：传统防雷预警手段精度较低，无法保障机场飞行安全，为此，本文设计了一种基于遥感监测的机场全域范围防雷预警系统。在系统硬件方面，使用传感结构的雷电预警仪、闪电定位仪设计雷电预警单元 ，使用CC2540F256RHAR 无线射频芯片设计组网的通讯模块；在系统软件方面，通过遥感监测影像预处理技术与雷电概率预测技术完成机场目标区域的雷电临近预警。实例应用结果表明，本文设计系统可精准预警即临近雷电的发生时间和地域，也可准确定位局地发生雷电时的精确位置、轨迹、次数及大小，具有良好的稳定性，满足机场雷电安全防护的预警需求。
关键词：遥感监测，防雷预警，闪电定位，通讯模块，系统设计
0 引言
在我国民航高速发展的背景下，机场各重要区域及部门的雷电防护安全问题越来越受到重视。 雷雨天气时，云层中的大气经剧烈摩擦会出现瞬间放电现象， 形成雷电。空旷的地域是雷雨云易选择的放电对象，因此其遭受雷击的几率非常高。 机场是雷暴频繁的地区代表，机场地势平坦又空旷，据统计，每年全球各地不少机场均会遭到多次不同程度损失的雷击事故，经常导致许多设备毁坏，甚至造成不同程度的人员伤亡。若飞机在飞行区域内遭受雷击，会严重影响飞行的稳定性，为民航带来直接的经济损失；若正在加油的飞机和油库遭受雷击，可能会引起火灾；若正在围界周边进行设备运维的工作人员遭受雷击，很可能会威胁他们的生命安全。所以，机场各目标区域内的“主动式防雷”安全预警措施迫在眉睫。参考雷电预警手段的相关资料，文献［1］利用机器学习技术构建一种雷电预警模型，为防雷减灾工作提供了贡献。文献［2］通过雷达组合反射率设计一种预警方法，可实现雷电的短临预警［2］。
1 机场防雷预警系统的硬件设计
机场防雷预警系统是能精确探测半径 10~20 km 范围内各目标保护区域气象数据的变化，并在该区域雷暴发生前 60 min 内对有需要的部门和相关人员发出雷暴风险警告讯号的系统， 同时帮助提前实施相应的雷电安全预案，以降低遭受雷击的风险。本文设计的防雷预警系统引入遥感监测技术， 可根据遥感影像实时监测机场各目标区域，包括飞行区、气象观测站、航油加油站、围界周边等区域内的气象数据变化，从而准确预测机场该区域出现雷暴的可能性，达到雷电安全预警目的。因此，本文设计基于遥感监测的机场防雷预警系统主要包括以下几个单元模块：（1）数据采集与存储单元，通过各类传感器、遥感监测设备自动采集器采集各监测目标区域的气象数据，同时存储过去半年甚至几年内采集的气象资料；（2）数据传送单元，利用通信设备实现系统各单元之间的数据传输；（3）数据预处理单元，通过数据处理微机将采集的数据处理为系统其他单元可用数据；（4）雷电预警单元，根据实时监测的不同气象数据进行对比分析及预判， 并发出相应级别的雷电预警。 预警信号分为 3 个级别：（1）黄色为雷电一级预警，某目标检测区域的远方雷电活动， 并向该区域移动，30~60min左右可能临近，也有可能途中转向或停止移动；（2）橙色为雷电二级预警，某目标检测区域的近处雷电活动，并向该区域移动，5~20 min 左右临近，雷暴预警准确率 85%以上；（3）红色为雷电三级预警，表示目标区域本地雷电活动会随时发生，雷暴预警准确率可达 95%以上。
1.1 雷电预警仪
雷电预警仪是防雷预警系统［3］雷电预警单元中 的关键硬件设备，当防雷预警系统探测到雷电临近时，雷电预警仪会发出预警信息。机场防雷预警系统中的雷电预警仪内部为场磨式传感结构，主要由屏蔽片、感应片、同步信号处理器、接地电刷以及电机等组件构成。 屏蔽片由转速恒定为 1 560 r/min 的电机带动旋转，屏蔽片与感应片的位置一致时，由于屏蔽效应，感应片无法感应防雷预警系统传输的电力线，此时雷电预警仪不存在任何电荷 ，也不会发出预警信息；当屏蔽片与感应片的位置不同时，感应片将做出感应，当外界电场强度不断增大时，雷电预警仪中会出现与外界电场强度成正比的感应电荷，经标定，该电压可表征大气电场的强度及极性变化。当目标区域的大气电场强度达到雷暴发生的多次经验验算值时，会发出雷电预警信息。 综上所述，雷电预警仪主要根据感应电荷验算大气场强值，进而预判预警雷电的来临时间及方位。 防雷预警系统中雷电预警仪的电路板与外壳之间使用金属支撑柱连接，可起到雷电预警仪接地作用，同时避免连接线过多而破坏雷电预警仪的稳定性。当防雷预警系统利用遥感监测技术采集机场目标检测区域带电云层变化数据时，先进行一定处理，然后再传输至雷电预警仪做出精准预测及警告。
1.2 闪电定位仪
雷电预警仪是预报、预警局部雷暴在何时、何地发生，使工作人员能在雷暴发生前有充分的时间主动防范。为在雷暴发生后给工作人员提供主动、 有效的雷电防护支持，本文设计了闪电定位系统。 该系统引入遥感探测技术，实时探测 1～47 Hz 低频段、 宽范围的大气电磁场变化率，此低频信号反映了雷电信号主导的静电量，在一定范围内相应地影响电磁（无线电波）量。电场变化的强度与距离立方的倒数相关， 闪电通道的垂直范围通常比探测器的距离短，可以假定小的偶极场。在平坦导电表面上，由平均高度为 H 的雷电通道产生的静电场（ΔES）的变化，与距离接收器距离 D 的中和电荷 Q 可计算为：
当 Q 和 H 被假定变量时，可将该等式理解为：通过测量电场的变化估算雷电的距离。 静电场的变化与距离 D反立方的敏感关系、闪电充电时刻（2QH）相比较，因雷电强度自然变化的范围不确定性相对较低，采用公里或更大的长度单位能准确地计算雷暴区域范围。
闪电定位仪主要包括电磁场传感器、数据采集处理模块、方位仪等硬件。 电磁场传感器将闪电引起的电荷运动和传递数据积分、采样后的数据通过数据采集处理模块计算后，将闪电位置数据传输至与雷电预警仪组网后的中心服务器。闪电定位仪不仅能可靠地探测半径 35 km 空域范围内的云地闪、云间闪等多种形式的闪电，还可以动态追踪雷电云的具体位置和移动方向，其在平台输出的信号是距离和角度值，是相对与安装地点的距离和角度，结合叠加在某机场的地理信息系统（GIS），根据安装地点的经纬度， 方位仪能准确计算实际闪电的发生时间及经纬度，同步输入在雷电预警平台，方便机场工作人员高效、准确地对已发生雷击的区域及落雷点附近的设备进行巡检和维护，为调查雷击事故提供更准确的数据。综上所述，闪电定位仪不仅能精准定位并收集闪电次数、轨迹，还能精准探测闪电的发生时间、雷击落点、雷电流强度等各种雷电参数，还能发出精准雷电暴雨等恶劣天气的预警信号给空中管制人员和地面工作人员， 有效地全面把控天气状况，保障了飞行安全。
1.3 射频芯片
通讯模块［4］是整个机场防雷预警系统的设计重点，出于对防雷预警系统的无线通讯以及无线节点低能耗的考虑， 本文将通讯模块核心设置为 CC2540F256RHAR 无线射频芯片。 该射频芯片在运行过程中无需较多的外围器件，能耗较低且性能稳定，适用于本文设计的机场防雷预警系统。同时，应用了 CC2540F256RHAR 无线射频芯片的无线通信模块的信息传输速率较高，可支持防雷预警系统内部多点快速组网。 由于机场区域范围较广，可设计组网多个雷电预警仪和闪电定位仪，实现不同区域、不同空域的探测，分析比对多个预警探测点返回的场强和电场信号数据，不断提高探测的精度和预警准确率，统计机场范围经常落雷的目标区域，再经过分析增加多层级的有效被动雷电防护措施。本文用于各传感探测器组网的通讯模块中应用 CC2540F256RHAR 无线射频芯片的主要原因是其能耗低，该芯片在不同状态下的电流消耗情况见表 1。
除表 1 所述各工作模式下的能耗，CC2540F256RHAR无线射频芯片处于发射状态时，其功率是可调节的，所以该芯片成本较低， 本文将其应用于防雷预警系统。 此外，CC2540F256RHAR 无线射频芯片还具有以下优点：（1）为机 场 防 雷 预 警 系 统 提 供 高 达 16 个无 线 通 信 信 道 以 及280 kbps 的有效信息传输速率；（2）电流消耗极低且灵敏度较高；（3）信号衰减慢，覆盖范围广；（4）具有优越的抗邻频道干扰能力，易与微处理器接口进行配置。
1.4 闪电定位仪和雷电预警仪的相互验证及补充
雷电预警系统中闪电定位仪探测的是以机场为中心，35 km 半径范围内已发生的云间闪或云地闪的区域，并提供闪电相对闪电定位仪的距离和方位。再根据时间和空间的序列进行计算， 判定已发生闪电的运动方向和速度，以此设定合理的保护范围阈值进行闪电发生报警。通过比对闪电多发区域的数据，可深度分析当地机场常发生雷暴的区域、方位并结合风向、风速等，设定应探测的保护范围阈值，尽量侧重于雷暴区域的探测。 一旦闪电运动进入预先设定范围内则进行告警。 经过实践验证，接入机场或第三方气象局的天气雷达数据，验证闪电定位仪报告的闪电方位和距离与机场天气雷达回波基本一致。
雷电预警系统中雷电预警仪探测的是大气电场，输出的是大气电场场强值。在积雨云生成过程中电荷会在云中积累，云地间电场快速增加，一旦场强值超过一定阈值，积雨云会对地放电，即发生闪电。 当闪电定位仪探测到闪电时， 大气电场仪探测的大气电场值可验证闪电的发生，即经过多次闪电后雷电预警仪记录下发生闪电时的大气场强，经过比对分析可以得出当地大多数发生闪电时的场强阈值，从而不断提高雷电预警仪的预警准确率。
当闪电定位仪还未探测到闪电时，大气电场仪也可根据实时探测的大气电场值判断是否会发生闪电并给予预警；当闪电定位仪探测到发生的闪电时，也可验证大气电场仪预警的阈值是否设置合理，再进行调整，以便更好地做出适合机场目标检测区域的预警。
雷电预警系统使用这两种探测传感器组合方案，设计的闪电监测雷电预警拓扑如图 1 所示。该系统可探测雷电生成、发展、运动的全过程，使工作人员能在头顶（机场预警的目标保护范围）积雨云雷暴生成前或远处雷电运动进入该区域前，有充分时间采取防范措施。
2 机场防雷预警系统的软件设计
2.1 遥感监测影像预处理
在机场防雷预警系统利用遥感监测技术［5］采集 气象数据时，受环境等因素影响，遥感监测影像会出现一定的失真，影响预警准确率。因此，本文在防雷预警系统中添加了遥感监测影像预处理算法，便于获得有效数据，从而提升防雷预警系统精度。遥感监测影像的预处理算法主要包括辐射校正和几何校正。卫星传感器在获取机场预警区域遥感影像时， 受传感器自身灵敏度以及天气等因素影响，监测数据和真实光谱辐射亮度之间存在一定区别， 因此，需要辐射校正遥感监测影像。通常情况下卫星传感器推扫成像过程中，同一帧影像的各像元失真情况相同，可通过式（2）辐射校正机场遥感监测影像：
式中：F 表示经过校正后的机场目标区域遥感监测影像辐射值；Y 表示遥感监测影像上像 元 的 增 益 参 数 ；c 表 示 卫星传感器测量得到的影像辐射值；P 表示遥感监测影像上像元的偏移量参数。
通过式（1）进行辐射校正后的机场预警监测区域的遥感影像还需要进行几何校正。 由于卫星飞行姿态、地球曲率等参数， 监测影像坐标与实际坐标之间会存在不同，需要通过几何校正将遥感监测影像坐标与实际坐标之间进行映射变换，剔除数据误差。本文通过多项式式（3）转换遥感监测影像像元坐标：
式中：（x1，y1）表示原始机场目标区域遥感监测影像中的像元坐标；（x0，y0）表示校正后的遥感监测影像中的像元坐标；δn、φn 分别表示 N 次多项式的第 n 个像元系数。
由式（3）可知，多项式的 N 值越大，遥 感 监 测 影 像 的几何校正效果越好，但会降低防雷预警系统的预警效率，所以本文为实现预警精度和预警速度之间的平衡， 将 N取值为 4。
2.2 雷电概率预测模型完成预警
雷电概率预测［6］是防雷预警系统软件中的关键，基于遥感监测技术获取的机场预警目标区域的数据，不仅可反映该区域的空间分布特征，还可呈现雷电信息的动态发展规律，所以本文将基于遥感监测数据来构建雷电概率预测模型，以达到系统预警目的。 本文在设计防雷预警系统的雷电概率预测模型时，主要根据机场各目标区域中各气象数据之间的依存关系判断雷电的形成与发展。本文构建的雷电概率预测模型［7］为：
式中：D 表示机场监测目标区域内出现雷电的概率参数；η1、η2、η3、η4、η5 分别表示雷电指数值；z1、z2、z3、z4 分别表示雷电预报因子。 通常情况下雷电的产生与云层稳定度、大气层的水汽条件之间存在必然联系，因此，本文设计的防雷预警系统通过雷电概率预测模型开展防雷预警，如图 2所示。
由图 2 可知，防雷预警系统首先需要通过物理量的计算以及指标验证来判断产生雷电现象的条件，判别的临界值由式（4）得到，当预测雷电临近时，会及时地发出警报。
3 实例应用
设置基于雷达组合反射率的防雷预警系统与基于机器学习的防雷预警系统为对照组，进行仿真实验，通过对比 3 个系统的稳定性与精确度，验证本文设计的机场防雷预警系统的可行性。实验首先利用大数据建模模拟某市民航机场区域内 2021 年雷电频率大小以及影响范围， 并整合该雷电模拟信息，获得雷电信号场强变化如图 3 所示。
由图 3 可知， 本次仿真实验给定的雷电模拟信号在22 min 和 92 min 时出现信号负向场强最大， 并在 13 min和 56 min 时出现信号正向场强最大， 这 4 个出现信号场强最大的时间节点是民航机场的雷击瞬间。将该雷电信息分别输入上述 3 个防雷预警系统中，并将这 3 个系统对雷电模拟信号输出的测试结果绘制为曲线图，如图 4 所示。
由图 4 可知，基于雷达组合反射率的防雷预警系统测试的雷击瞬间分别为 13 min、56 min、92 min， 较实际雷电信息少了一次雷击瞬间时间点，这是因为该防雷预警系统在判断雷电信号时具有一定延迟性，由于 13 min 与 22 min这两个时间点相隔较近， 导致系统无法检测 22 min 时的雷击瞬间。基于机器学习的防雷预警系统测试的雷击瞬间较为混乱，且与实际信号结果误差较大，这是因为本次实验使用的雷电信号输入量较大，造成该系统产生多次计算误差。本文设计的基于遥感监测的机场防雷预警系统测试的雷击瞬间时间点较为精准，每个时间点均与实际信号一致。 说明使用相同雷电信息输入时，基于机器学习的防雷预警系统因稳定性不足导致系统崩溃，无法准确测量雷击瞬间；基于雷达组合反射率的防雷预警系统虽然具有一定稳定性，但其测量精度不足，若两次雷击瞬间的时间点较近，则无法做出精准预警。 而本文设计的预警系统无论是稳定性还是测量精度均较其他系统更优越，可实现高精度的机场防雷预警。
4 结语
防雷预警系统已成为我国民航机场确保机场全域范围内雷电安全的重要技术措施之一，本文通过遥感监测技术设计了一种防雷预警系统， 该系统可实现雷电的探测、预警、定位等功能，为机场的正常飞行工作和安全管理构建多纬度的雷电安全主动防护。该机场防雷预警系统具有较好的前瞻性和发展前景，且本文已通过仿真实验验证了该系统性能优越，可实现预期的防雷预警效果。因此，本文设计的基于遥感监测的机场全目标范围内的防雷预警系统具有一定推广价值。
参考文献
推荐性国家标准《雷电防护 雷暴预警系统将于2023年12月1日实施 GB/T 38121-2023》（Protection against lightning—Thunderstorm warning systems）
发布日期：2023-05-23
发布单位：国家市场监督管理总局;国家标准化管理委员会
标准技术委员会：全国雷电防护标准化技术委员会(SAC/TC 258)
起草人：许伟;任照环;谷山强;程浩;姚喜梅;丁海芳;肖桐;袁月;何静;杨国华;彭向阳;边晓燕;朱宣竹;盛巍巍;吴大伟;植耀玲;方超颖;张建培;曾宇;王肖虹;郭凌宇;张帆;李雄;高攀亮;易小萍;周红伟;张松;杨川林;何锡华;孙冠群
