基于FPGA的雷电定位系统高精度时标设计*

肖坤峰 ，孙秀斌 ，杨崧令 ，张广元

（1.成都信息工程学院 电子工程学院，四川 成都610225；2.中国气象局大气探测重点实验室，四川 成都610225）

雷电是伴随着强对流天气过程而发生的一种长距离放电现象，因其强大的电流、炙热的高温、猛烈的冲击波及强烈的电磁辐射等综合物理效应而能够在瞬间产生巨大的破坏作用。据不完全统计，我国每年因雷电灾害造成人员伤亡 3 000～5 000人，财产损失 50～100亿元。为了降低雷电灾害造成的损失，开展雷电探测方法的研究具有重要意义[1]。

利用接收到的闪电电磁脉冲对雷电进行探测，在甚低频段一般采用磁定向法（MDF）、到达时差法、磁定向和到达时差综合法（IMPACT）；在甚高频段一般采用窄带干涉法或到达时差法[2]。在基于到达时差法的雷电定位系统中，其定位精度主要取决于系统中时间标记的精度。本文利用GPS全球定位系统的同步授时技术和可编程逻辑器件为探测站提供高精度的同步时间标记，并得到雷电脉冲到达各站之间的时间差，进而确定闪电发生的位置。

1 时差定位原理

图1 闪电辐射源与探测站的位置

如图1所示[3]，假设闪电辐射源位于 S(x，y，z)，探测站A、B、C、D 的空间位置分别为(xi，yi，zi)(i=0，1，2，3)，其中 A站为中心站，其他3站为辅助站，则定位方程为：

其中，ri为辐射源与各站之间的距离；Δri为辐射源到达辅助站与到达中心站之间的距离差，τi为对应的时间差；c为电磁波传播速度。

将r0看作已知量，可以得到如下矩阵表达式：

式中：

如果H满秩，则利用Chart算法即可确定闪电发生的位置。……