基于无人机的电晕电流探测和人工引雷一体的系统及方法

本发明涉及大气电学、空间电场探测和雷电防护，特别涉及一种电场电晕电流探测和人工引雷系统及方法，以及采用该系统的机动防雷网。

背景技术：

1、雷电灾害严重威胁着人类生命及财产安全，由于雷电发生的时间和空间具有很大的随机性，雷击危害巨大、成灾迅速，给其研究、预报和防治带来很多困难。大气电场探测是了解雷暴云的重要参量，探测雷暴云内电荷结构、电荷密度分布、及其随雷暴过程发展的演变研究，对揭示雷电发生、发展过程物理机制有着重要的科学意义。人工引雷是指在雷暴云生成并且发展的过程中，人为触发闪电的技术。人工引雷可对雷击电流及电场变化进行系统性测量，为探索研究雷电提供了实验手段。现有技术应用较多的火箭人工引雷技术已经发展的比较成熟。为了选择火箭的发射时机，一般采用大气平均电场仪获取空中电场强度变化，当电场强度达到闪电阈值时，发射火箭升空触发闪电。火箭人工引雷需要将火箭安装在发射架上，实验场地固定，无法追随雷暴云的移动，机动性差。雷暴云电场强度并非均匀分布，仅依据地面大气平均电场仪获取的电场测量值来分析具有一定的局限性。引雷成功与否与很多因素有关，不是每次发射火箭都能引雷成功，引雷用的火箭是一次性的消耗材料，火箭引雷成本相对较高。

2、在高大的建筑物上设置避雷针，可以有效地减少雷电造成的危害。但有些特殊的场合，很难设置避雷装置对地面设施进行保护，如：气象服务的人工增雨、人工消雹的火箭发射场，位于空旷的野外，在雷暴天气，高耸的发射架极易成为雷电放电的导体；再如：大桥架设吊装桥板，伸长的吊臂极易引发雷电放电。这些作业往往不能间断，遇到雷暴天气保护操作人员生命安全及设备免受损失，是一个需要认真对待的问题。

3、现有技术机有一种临时防雷装置，在需要保护的区域安装防雷架，防雷架上设有可以升高的伸缩杆，利用高耸的伸缩杆作避雷针。但这种伸缩的临时避雷装置，升高的高度有限，保护范围收到限制。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种无人机的电晕电流探测和人工引雷一体的系统，主要包括无人机、地面端、引线、操控中心、遥控器，无人机与地面端之间连接引线，地面端的电源变换器将蓄电池的低压直流电变换为高压直流电，通过接引线输送到无人机携带的电源终端，再变换为无人机自带锂电池相同的电压，通过保护电路与无人机自带锂电池并联，为无人机连续供电延长留空时间。无人机携带探测仪对空中电场进行探测，数据通过无线方式发送到操控中心记录和运算处理，间接判断空中电场强弱。无人机顶部设有尖端针，作为人工引雷的触发端连接接引线在地面端处接地，无人机携带探测仪探测的空中电场强度达到闪电的阈值时，操控无人机快速上升，突破电晕屏蔽层引发雷暴云中电荷与无人机的尖端针放电形成闪电，dbs北斗导航系统为人工引雷形成的闪电赋予时间标记，完成人工引雷。利用这个系统，可以在需要防雷保护的区域周边设置若干个该系统，升空无人机，连接的引线与大地连接，构成一个机动防雷网。

2、本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：无人机的电晕电流探测和人工引雷一体的系统，主要包括无人机1、地面端2、引线3、操控中心4、遥控器5，所述的无人机1与地面端2之间连接引线3，引线3作为无人机1连续供电的电源线，还作为人工引雷的放电通道；所述的无人机1顶部设有电晕针6，作为探测空间电晕放电的电极，电晕针6作为人工引雷的触发端连接引线3的一根导线，引至地面端2与大地连接，所述的无人机1携带探测仪7和电源终端8。

3、所述的地面端2包括收放线器9、电源变换器10、通讯中继器11、接地极12、接地线13；所述的无人机1、地面端2、操控中心4均设有dbs北斗导航系统，用于无人机1和地面端2相对位置定位，以及探测数据及引雷发生时探测仪7与操控中心4的时间同步。

4、无人机1升空到预定高度，电晕针6与空中带电电荷发生电晕放电，产生电晕放电电流，电流的大小与空中电场强度正相关，探测仪7将电晕电流经过放大，通过无线方式发送至操控中心4，操控人员根据空中电场强度的大小判断人工引雷的窗口期，操作无人机1快速向上升起一个冲击高度，突破电晕屏蔽层，电晕针6与带电电荷形成尖端放电，实现人工引雷，释放云端聚集的电荷，减少随机的雷击事件。

5、所述的地面端2的通讯中继器11与操控中心4之间采用无线方式建立通讯，调整收放线器9运行模式，通过dbs北斗导航系统计算地面端2与无人机1的空间距离，用于自动控制收放线器9收放引线3。

6、所述的探测仪7包括电晕电流传感器71、温度传感器72、湿度传感器73、空中定位传感器74、数据处理器75、无线发射器76，采集的电晕电流信号、温湿度数据、定位数据，经过数据处理器75将模拟信号经a/d转换器转换为数字信号，通过信号调制由无线发射器76发射，操控中心4接收后记录和运算处理。

7、所述的收放线器9采用dbs北斗导航系统定位与无人机1的相对位置，自动释放或回收引线3。所述的收放线器9主要由线轴14、电机15、排线架16组成，线轴14的中部为绝缘材料制成，两侧为导电环17，引线3的两根漆包线分别与两个导电环17连接，导电环17的侧面设有电刷18，电刷18通过弹簧压紧与导电环17电连接，线轴14由电机15带动旋转，两个导电环17通过电刷18与电源变换器10连接，通过引线3向无人机1供电。电机15通过曲杆齿轮箱19输出正反向旋转动力，驱动排线架导杆20正反向旋转，排线架导杆20带动排线架16沿线轴14往返运动，排线架16上的导孔21引导引线3在线轴14旋转时自动排线。

8、所述的引线3采用二根双绞漆包线，线径0.2~0.5mm，其中一根漆包线一端与电晕针6连接，另一端与地面端2的接地线13通过导电环17、电刷18连接，接地线13连接接地极12，形成人工引雷放电的通道。

9、所述的电源变换器10为升压型dc/dc变换器，将蓄电池的低压直流电变换为高压直流电，通过引线3输送到无人机1携带的电源终端8。所述的电源终端8为降压型dc/dc变换器，将引线3传输的高压直流电变换为与无人机1自带锂电池电压相同的低压直流电，通过保护电路与无人机1自带锂电池并联，为无人机1连续供电延长留空时间。

10、所述的通讯中继器11包括运算模块100、电源状态监测模块101、收放线控制模块102、地面定位传感器103、无线通讯模块104。所述的电源状态监测模块101对电源变换器10的蓄电池电压和电流、变换的高压输出电压和电流进行监测，所述的收放线控制模块102用于调整收放线器9自动收放线模式和人工手动收放线模式转换。

11、本发明提供一种基于无人机的电晕电流探测和人工引雷一体的系统的电场探测方法，是一种通过探测电晕电流间接判断电场强度的方法，探测步骤如下：

12、s1、在进行探测的地域设置地面端2，在距离地面端2不小于100m的可视位置设置操控中心4，引线3从收放线器9的导孔23穿出，连接到无人机1的电源终端8，无人机1置于地面端2旁的地面上；

13、s2、当雷暴天气出现时，通讯中继器11与操控中心4建立通讯，操控中心4控制打开电源变换器10为无人机1供电，通过操控中心4调整收放线器9为定位自动收放线模式；

14、s3、操作遥控器5升空无人机1到达探测高度，当电晕针6周围的环境电场强度达到电晕放电的阈值时，电晕针6电晕放电产生电晕电荷，游离的电荷形成电晕屏蔽层，会抑制环境电场强度，无人机1旋翼转动的气流流动有利于驱散游离电荷的作用，为了更有效地避开电晕屏蔽层，操控无人机向前后左右水平向移动，或环形移动，电晕针6突破电晕屏蔽层以获得真实的环境电场强度；在带有电场的空域中电晕针6产生电晕放电，电晕电流经过探测仪7的放大，通过无线发射器以无线方式传输到操控中心4，对电荷与电场强度的标定并记录储存，dbs北斗导航系统为记录赋予时间标记；

15、s4、电场探测结束，操作遥控器5缓缓降落无人机1，收放线器9的自动收放线模式根据无人机1与地面端2的定位自动同步收线。

16、本发明提供一种基于无人机的电晕电流探测和人工引雷一体的系统的人工引雷方法，是一种主动引雷释放云端聚集电荷的方法，步骤如下：

17、s1、在进行人工引雷的地域设置地面端2，地面端2旁向地下打入接地极12，接地极12与引雷放电通道相连的电刷18采用接地线13连接；在距离地面端2不小于100m的可视位置设置操控中心4，引线3从收放线器9的导孔23穿出，连接到无人机1的电源终端8，无人机1安装专用降落伞，置于地面端2旁的地面上，做好引雷准备；操控人员结合地面电场变化仪实测的大气电场强度、空中的温度和湿度因素，预判人工引雷时间窗口；

18、s2、当满足人工引雷条件时，通讯中继器11与操控中心4建立通讯，操控中心4控制打开电源变换器10为无人机1供电，通过操控中心4调整收放线器9为定位自动收放线模式；

19、s3、操作遥控器5升空无人机1到达预定引雷高度，该高度为初始高度，探测仪7探测的电晕放电电流传输到操控中心4，操控人员通过电晕放电电流对空间电场强度分析，结合地面电场变化仪实测的大气电场强度、空中的温度和湿度因素，预判空间环境电场强度接近闪电尖端放电的阈值时，操控无人机1向上缓慢升起一个冲击高度，一般10~50m；

20、s4、通过操控中心4关闭收放线器9自动收放线模式，操控无人机1下降到初始高度，被拉出的引线3没有被收放线器9回收呈松弛状态；

21、s5、操控无人机1快速上升，电晕针6冲破游离电荷形成的电晕屏蔽层，引发电晕针6与环境电场的带电粒子尖端放电，形成闪电，电流通过引线3、接地极12入地，操控无人机1降落；

22、s6、当s5未引发闪电，再次升起一个更高的冲击高度，重复s4、s5；

23、s7、经过上述步骤仍未成功引雷，操控人员根据探测仪7探测的电晕放电电流，结合地面电场变化仪实测的大气电场强度判断，如果错过人工引雷时间窗口，通过操控中心4开启收放线器9自动收放线模式，操控无人机1降落。

24、本发明提供一种机动防雷网，设置在保护区域地面设施的外围，设置若干个基于无人机的电晕电流探测和人工引雷一体的系统，覆盖保护区域组成一个机动防雷网；根据气象部门提供的天气信息，结合雷达探测的云图判断雷暴云过境保护区域的时间，雷暴云来临前，升空1~2个无人机1通过探测电晕放电电流判断空中电场强度，实时监测电场强度变化；当空中电场强度达到尖端放电阈值的50%~70%时，升空所有无人机1，空中电荷与电晕针6放电通过引线3、接地极12引入大地，消减空中电场强度；当某个无人机1的探测仪7探测的电晕放电电流判断电场强度达到尖端放电的电场强度时，快速升起该无人机1，主动引雷释放云端聚集的电荷，减少随机的雷击事件，达到保护地面设施的目的。

25、本发明有益效果是：弥补了地面大气平均电场仪获取的电场测量值局限性的缺陷；进行人工引雷实验时，探测仪升至引雷空域进行电场探测，获取人工引雷最佳时间，提高人工引雷的成功率；引雷设备可重复使用，减低了成本。本发明是既能用于空中电场探测，又能进行人工引雷的系统，集电场探测仪和引雷装置于一体，电场探测的结果用于人工引雷时机的判断，可提高引雷成功率。若干个系统可以组成一个机动防雷网，为野外作业难以设置避雷装置的场合提供安全保障，无人机升空高度大，保护范围广。

技术特征：

1.一种基于无人机的电晕电流探测和人工引雷一体的系统，其特征在于：主要包括无人机（1）、地面端（2）、引线（3）、操控中心（4）、遥控器（5），所述的无人机（1）与地面端（2）之间连接引线（3），引线（3）作为无人机（1）连续供电的电源线，还作为人工引雷的放电通道；所述的无人机（1）顶部设有电晕针（6），作为探测空间电晕放电的电极，电晕针（6）作为人工引雷的触发端连接引线（3）的一根导线，引至地面端（2）与大地连接；所述的无人机（1）携带探测仪（7）和电源终端（8）；

2.根据权利要求1所述的基于无人机的电晕电流探测和人工引雷一体的系统，其特征在于：所述的地面端（2）的通讯中继器（11）与操控中心（4）之间采用无线方式建立通讯，调整收放线器（9）运行模式，通过dbs北斗导航系统计算地面端（2）与无人机（1）的空间距离，用于自动控制收放线器（9）收放引线（3）。

3.根据权利要求1所述的基于无人机的电晕电流探测和人工引雷一体的系统，其特征在于：所述的探测仪（7）包括电晕电流传感器（71）、温度传感器（72）、湿度传感器（73）、空中定位传感器（74）、数据处理器（75）、无线发射器（76），采集的电晕电流信号、温湿度数据、定位数据，经过数据处理器（75）将模拟信号经a/d转换器转换为数字信号，通过信号调制由无线发射器（76）发射，操控中心（4）接收后记录和运算处理。

4.根据权利要求1所述的基于无人机的电晕电流探测和人工引雷一体的系统，其特征在于：所述的收放线器（9）采用dbs北斗导航系统定位与无人机（1）的相对位置，自动释放或回收引线（3），所述的收放线器（9）主要由线轴（14）、电机（15）、排线架（16）组成，线轴（14）的中部为绝缘材料制成，两侧为导电环（17），引线（3）的两根漆包线分别与两个导电环（17）连接，导电环（17）的侧面设有电刷（18），电刷（18）通过弹簧压紧与导电环（17）电连接，线轴（14）由电机（15）带动旋转，两个导电环（17）通过电刷（18）与电源变换器（10）连接，通过引线（3）向无人机（1）供电；电机（15）通过曲杆齿轮箱（19）输出正反向旋转动力，驱动排线架导杆（20）正反向旋转，排线架导杆（20）带动排线架（16）沿线轴（14）往返运动，排线架（16）上的导孔（21）引导引线（3）在线轴（14）旋转时自动排线。

5.根据权利要求1或4所述的基于无人机的电晕电流探测和人工引雷一体的系统，其特征在于：所述的引线（3）采用二根双绞漆包线，线径0.2~0.5mm，其中一根漆包线一端与电晕针（6）连接，另一端与地面端（2）的接地线（13）通过导电环（17）、电刷（18）连接，接地线（13）连接接地极（12），形成人工引雷放电的通道。

6.根据权利要求1所述的基于无人机的电晕电流探测和人工引雷一体的系统，其特征在于：所述的电源变换器（10）为升压型dc/dc变换器，将蓄电池的低压直流电变换为高压直流电，通过引线（3）输送到无人机（1）携带的电源终端（8），所述的电源终端（8）为降压型dc/dc变换器，将引线（3）传输的高压直流电变换为与无人机（1）自带锂电池电压相同的低压直流电，通过保护电路与无人机（1）自带锂电池并联，为无人机（1）连续供电延长留空时间。

7.根据权利要求1所述的基于无人机的电晕电流探测和人工引雷一体的系统，其特征在于：所述的通讯中继器（11）包括运算模块（100）、电源状态监测模块（101）、收放线控制模块（102）、地面定位传感器（103）、无线通讯模块（104），所述的电源状态监测模块（101）对电源变换器（10）的蓄电池电压和电流、变换的高压输出电压和电流进行监测，所述的收放线控制模块（102）用于调整收放线器（9）自动收放线模式和人工手动收放线模式转换。

8.一种权利要求1的基于无人机的电晕电流探测和人工引雷一体的系统的电场探测方法，其特征在于：电场探测方法是一种通过探测电晕电流间接判断电场强度的方法，探测步骤如下：

9.一种权利要求1的基于无人机的电晕电流探测和人工引雷一体的系统的人工引雷方法，其特征在于：人工引雷是一种主动引雷释放云端聚集电荷的方法，步骤如下：

10.一种采用权利要求1的系统组成的机动防雷网，其特征在于：所述的机动防雷网设置在保护区域地面设施的外围，设置若干个基于无人机的电晕电流探测和人工引雷一体的系统，覆盖保护区域组成一个机动防雷网；根据气象部门提供的天气信息，结合雷达探测的云图判断雷暴云过境保护区域的时间，雷暴云来临前，升空1~2个无人机（1）通过探测电晕放电电流判断空中电场强度，实时监测电场强度变化；当空中电场强度达到尖端放电阈值的50%~70%时，升空所有无人机（1），空中电荷与电晕针（6）放电通过引线（3）、接地极（12）引入大地，消减空中电场强度；当某个无人机（1）的探测仪（7）探测的电晕放电电流推算电场强度达到尖端放电的电场强度时，快速升起该无人机（1），主动引雷释放云端聚集的电荷，减少随机的雷击事件，达到保护地面设施的目的。

技术总结
本发明涉及一种基于无人机的电晕电流探测和人工引雷一体的系统，主要包括无人机、地面端、引线、操控中心、遥控器，无人机与地面端之间连接引线，地面端的电源变换器将蓄电池的低压直流电变换为高压直流电，通过接引线输送到无人机携带的电源终端，再变换为无人机自带锂电池相同的电压，与无人机自带锂电池并联，为无人机连续供电延长留空时间。无人机携带探测仪对空中电场进行探测，无人机顶部设有尖端针，作为人工引雷的触发端连接接引线在地面端处接地，空中电场强度达到闪电的阈值时，操控无人机快速上升，无人机的尖端针放电形成闪电，完成人工引雷。利用这个系统，可以在需要防雷保护的区域周边设置若干个该系统，构成一个机动防雷网。

技术研发人员：刘明远,郄秀书,蒋如斌,孙竹玲
受保护的技术使用者：中国科学院大气物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23