美国国家雷击检测网络的组合TOA / MDF技术升级外文翻译资料

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本科生毕业论文

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美国国家雷击检测网络的组合TOA / MDF技术升级

Kenneth L. Cummins, Martin J. Murphy, Edward A. Bardo, William L. Hiscox, Richard

B. Pyle, and Alburt E. Pifer

全球大气公司，亚利桑那州图森

摘要：美国国家雷电检测网络（NLDN）自1989年以来提供了覆盖美国大陆的闪电数据。利用从100多个传感器收集到的信息，（NLDN）为电力行业，国家气象局和其他政府和商业用户提供实时和历史的闪电数据。它也是闪电数据的主要来源，用于美国的研究和气候研究。在本文中，我们将在最近的全系统升级之后，讨论从到达时间/磁性方位（TOA / MDF）网络的设计，实现数据。自1991年以来，位置精度（回击划位置周围的置信区域的最大尺寸）已经提高了4至8倍，导致中值精度500米。对于峰值电流高于5KA的事件，预期的闪速检测效率范围为80％至90％，区域略有变化。现在可以检测和定位峰值电流小于5 kA的后续行程和行程; 然而，这些事件的检测效率在本研究中没有量化，因为它们的峰值电流分布不为人所知。

引言

美国国家雷电检测网络（NLDN）始于1987年，覆盖美国西部的地区网络（Krider等，1980年）和中西部地区[Mach et al，1986]的数据与奥尔巴尼大学合并 UA）网络（所谓的SUNYA / EPRI网络）[Orville等人，1983;Orville和Songster，1987年）在全国范围内提供闪电信息。该网络于1989年开始实时运行[Orville等，1990; Orville，1991b]该网络中的传感器是门控，宽带磁取向器（MDF），由闪电位置和保护公司制造。 （LLP），并被设计为采样云对地（C G）雷电中的回程波形[Krider等，1976年，1980年]。大约在同一时间，由大气研究系统公司制造的到达时间（TOA）传感器网络。 （ARSI）在全国安装[Lyons et al。，1989; Casper and Bent 1992]Krider [1996]给出了闪电定位系统的简要历史。

开发NLDN的主要催化剂始于1983年，电力行业认识到定位CG雷电的运行效益，从而通过电力研究所（EPRI）资助东海岸UA网络的扩建和运行。美国联邦协调员的协助和鼓励，将三个不同的网络结合成一个国家网络为气象服务。到一九九一年，国家规模的闪电资料有足够的商业利益，成立商业数据服务公司，为了满足这一需求，GeoMet Data Services，Inc.（GDS）由EPRI和LLP组成。今天，GDS，LLP和ARSI已经结合起来，成立了三洋集团全资子公司Global Atmospherics Inc.（GAI）过去6年来NLDN数据的不断增长的使用导致了对提高定位精度，检测到的雷电放电百分比（检测效率）以及CG闪光中所有回击的峰值电流的估计的需求，要求已经导致EPRI和GDS联合资助的网络升级。NLDN升级有四个主要目标，第一个是提高网络的位置精度，以满足电力公司日益增长的需求。第二个是提供可以实时处理和提供冲程和闪存信息的基础设施。三是提高峰值电流为5 kA以上的检测效率，最终目标是提高NDN的长期可靠性。升级涉及MDF和TOA检测的方法使用由ARSI和LLP制造的传感器，目的是描述改善的LDN。

本文的目的是描述改进的LDN，我们首先讨论MDF和TOA传感器的组合，所产生的混合网络和改进的信号处理算法。然后，我们将当前NLDN的预期性能与原始NLDN的性能进行比较。我们还审查了基于纽约风暴多机相机视频研究的网络性能的独立评估以及佛罗里达州的火箭发射和DF测量，还介绍了过去5年网络覆盖和性能改进的总结，并讨论了定位系统性能对报告闪电参数的影响。

NLDN运营和通信

图1中显示了实时NLDN操作和数据流的图形表示。地面传感器通过双向卫星系统（2-3）将显着信息（1）传输到亚利桑那州图森的网络控制中心（NCC）。 来自远程传感器的数据在NCC（4）中处理，以提供每个检测到的放电的时间，位置和峰值电流。然后，将处理后的信息发送回用于卫星广播传播的通信网络（5）发送给实时用户（6）。 所有这一切发生在闪电放电的30-40秒内。 该延迟由固定的30秒保持时间和可变处理和通信延迟组成。通过卫星广播链路分发具有0.1秒时间分辨率的云对地闪光信息。 更高分辨率的闪存和回击数据可通过其他通信链接获得。 数据在实时采集的几天内也经过重新处理，并存档在永久性数据库中，可以由不需要实时数据的用户访问。 NCC和实时数据传输系统的正常运行时间通常超过99.5％。

实时数据受到两个不影响再处理数据的错误来源。 这些来源是传感器校准错误和通信延迟。 校准误差由系统的MDF位点错误组成[Mach等人，1986; Passi和Lopez，1989]和峰值场振幅校准误差。这些错误的校准只能在已经累积足够的闪电数据（通常在操作1到3个月后）之后才能获得。 在应用更正之前，未经校准的传感器的信息被雷电定位算法忽略或不加重。实时数据中的传感器校准误差限于网络正在经历重大变化的时期，这些变化涉及传感器的安装或重新定位。 在数据重新处理之前始终执行校正校准。 最后一个这样的时期发生在本文所述的升级过程中。 传感器通信延迟是由于高数据速率期间的雨衰或数据拥塞造成的。如果整个美国的闪电频率每小时闪电超过35000-50000次，通常会发生这些延迟。 在这些情况下，重现数据通常比实时数据多出2至5％的。一年或两次，一个小时以上的再处理数据可以多达20％。

图1. NLDN中的数据流（有关说明，请参阅文本）。

NLDN传感器

大多数用于定位CG闪电的方法都基于MDF或TOA方法，Krider [1996]总结。 1992年，LLP开发了一种组合MDF和TOA信息的闪电定位方法，被称为组合技术（IMPACT）方法的改进精度。 该方法可以使用来自TOA传感器，MDF传感器和IMPACT传感器的信息，该传感器测量所有行程的到达时间和方向。

升级的NLDN包含来自原ARSI国家网络（闪电定位和跟踪系统，LPATS-III，传感器）和47个IMPACT传感器的59个TOA传感器。 这些传感器的位置如图2所示。两种类型的传感器在安装到NLDN之前进行了修改。例如，IMPACT传感器的增益增加，触发阈值降低，并且波形接受度被改变以允许检测更远的闪电。 LPATS传感器有时由附近的云排放和引导脉冲触发，并且为了减少这个问题，传感器增益降低，并且添加了类似于IMPACT传感器中使用的各种波形选择标准。 作为这些修改的结果，两种传感器类型都以相似的灵敏度和辨别度检测CG闪光。

图2. NLDN传感器位置。 三角形代表IMPACT传感器，圆圈显示LPATS传感器。

在20世纪90年代初期，将几个IMPACT传感器放置在现有的NLDN中进行校准和测试。 在升级之前，确定了IMPACT传感器相对于原始NLDN传感器的增益。 升级后，LPATS传感器获得了更正，以将其信号强度归一化为校准的IMPACT传感器报告的值。 以这种方式，原始NLDN的峰值当前估计值不会因升级而改变。

作为升级的一部分，1995年，由于传感器的有效范围增加，NLDN传感器的总数从130多个减少到106个。 传感器的有效范围已经通过其网络检测效率（NRDE）量化，这是传感器在网络中的性能的量度。 NRDE被定义为由传感器检测到的回击数与网络检测到的回击数的比率，并且作为范围的函数计算。图3显示了IMPACT传感器的变化如何影响其NRDE。 在图3中，实心曲线用于标准的IMPACT传感器，虚线表示已被修改用于NLDN的传感器。 两个传感器都位于网络的中心，并且在20世纪90年代初，当网络处于原始配置时，这两个传感器都进行了描述。 由于传感器范围的这种改进，可以将典型的传感器基线增加到275和325公里之间的值。

位置和冲击处理算法

来自106个NLDN传感器的数据用于使用Hiscox等人描述的最小二乘法来计算最佳闪电位置。 [1984]。 在其原始形式中，该优化程序最小化了角度偏差平方和的无约束误差函数。 角度偏差是由报告传感器测量的角度与从传感器位置到最佳冲程位置的角度之间的差值。当由预期角度误差和自由度归一化时，该误差函数被称为标准化卡方。冲击位置（纬度和纬度）的最佳估计是通过沿着错误的梯度方向迭代地沿着扁平球面地球（WGS-84）的表面移动位置冲程，直到找到最小值来确定。

位置算法的IMPACT推广以大致相同的方式操作，除了击中位置之外，还估计了回击开始的时间，每个传感器的误差函数中都有一个额外的术语，它提供精确的定时信息。估计的行程时间的精度由报告传感器的总体定时误差确定，并且具有大约1.0的标准偏差。定时和角度误差对总卡方值的相对贡献通过考虑其各自的测量误差来确定，以标准偏差的形式表示。Cummins等人更详细地描述了各种算法。 [1993]。 改进的位置算法克服了单独使用的MDF或TOA方法中固有的许多问题。例如，沿着两个IMPACT传感器之间的基线alpha;线发生的放电将通过两个方位向量和两个范围圆相对于单独的方位角交叉点更精确地定位（Cummins等，1993）。IMPACT位置算法足够一般，以允许LPATS（TOA）和IMPACT（MDF和TOA）数据的任意组合

图3.标准IMPACT传感器（实线）和IMPACT传感器的网络相对检测效率，增益增益，触发阈值降低，以及改进的波形接受标准（虚线）作为范围的函数。 网络相对检测效率定义为传感器检测到的回击数与网络检测到的回击总数之比。

图4显示了佛罗里达州的一个雷击，由五个传感器检测和定位：三个IMPACT传感器和两个LPATS传感器。 角度信息由从传感器发出的直线矢量表示，并且TOA信息由以每个传感器为中心的范围圆表示。 此事件是由NLDN检测到的冲击的典型值。 通过平均六到八个传感器检测峰值电流为25 kA的冲程，通常由两到四个传感器检测5 kA冲程。 通常，20个或更多个传感器检测100 kA冲程。这种方法倾向于高估真实多样性，因为可以在相对于一个或多个传感器的相似方位角处检测到并发闪烁。 图5说明了这个问题。 在当前的NLDN中，使用如图6所示的空间和时间聚类算法将冲击分组成闪光。只要附加回击划在第一回击划10公里以内，并且前一回击划的时间间隔较少，则在第一回击划之后，将回击添加到任何活动闪光灯1秒（传统的NLDN闪光持续时间限制） 超过500毫秒。在不太可能的情况下，回击符合多于一个闪光灯的一部分，它将被放置在最接近的第一回击冲程的闪光灯中。 如果冲程距离第一次冲程超过10公里（而小于50公里的聚集半径），但是由于其位置置信区域重叠，因此不会与闪光分离（参见“NLDN性能测量方法” 精度和检测效率部分），则回击包含在闪光灯中。多重限制为15回击; 15号以后的任何回击都被认为是新的闪光灯的一部分。 与前一种NLDN算法一样，报告的闪存位置是第一回击划的位置，峰值电流估计值仍然是第一回击。

图4.由两个LPATS传感器和三个IMPACT 图5.基于角度的闪存分组算法，说明如何

传感器定位的回击示例。 高估多重性。

NLDN性能测量：位置精度和检测效率

由GAI设计的NLDN和其他测向网络中的位置精度的主要测量方法是由角度和时间误差为Gaussian的假设得出的位置误差椭圆（第50百分位数）的半长轴[Stansfield，1947] 。由椭圆界定的区域是一个置信区域，其中找到真实回击位置的概率为50％。 错误椭圆在附录中有更详细的讨论。 这个和相关的位置精度测量已经被Cummins等人描述 [1995] NLDN和Maier [1991]，Murphy等人 [1996]和ldone等。 [这个问题（b）]其他网络。

整个网络的检测效率由许多因素决定，包括传感器的各个检测效率，对回击划位置的传感器的平均数量以及传感器基准。此外，峰值电流的分布强烈影响网络检测效率。

为了量化这些性能指标，Global Atmospherics使用模型来计算给定传感器类型和位置的位置精度和检测效率。康明斯等人 [1992，1995]描述了这些模型和用于估计网络检测效率和位置精度的假设。为了完整，这些模型在附录中讨论。

图6.基于位置的闪存分组算法

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