0 引言

电离层是受太阳高能辐射以及宇宙射线激励而电离的大气高层，是地球大气的一个电离区域。电离层中大气稀薄，根据能量守恒定律，地面以下影响大气活动的因素，如地震发生前地壳的缓慢运动、岩石圈中放射性气体等，最终会直接或间接影响到电离层，使电离层高度、密度发生改变。其中D层是电离层中最低的一层，离地球表面60—90 km，是来自近地面各种扰动的直接承载体。

开发一套闪电与罗兰C信号接收处理系统，通过采集闪电与罗兰C信号，实现对电离层D层的实时监测，反演电离层实际高度、强度、直达波与反射波到时差等信息(黄显良等，2017)，进一步分析观测区域附近地震发生前后，低空电磁场电离层各参数变化与地下介质运动之间的关系，尝试为地震活动提供可靠的对应规律(Hayakawa，2007)。

1 系统设计 1.1 软件设计

基于C/S模式架构，设计闪电与罗兰C信号接收处理系统软件。系统分为采集端和显示端，分别使用VC++和Matlab 2017语言进行编写，其中：采集端用于采集闪电与罗兰C信号，采集速率5 M/s，使用DCT变化压缩数据(曹正文等，2003；陈建峰，2009)，实现连续采集和触发采集2种方式；显示端用于实时反演电离层D层参数，并将结果分模块显示。系统采集端和显示端界面见图 1、图 2。

1.2 硬件设计

闪电与罗兰C信号接收处理系统硬件设计采用现有地震台站建设管理模式，使用统一设计和制作的专用信号接收机，同时接收闪电、放电产生的垂直电场和正交水平磁场，并实时接收罗兰C信号。该接收机有效探测距离不小于500 km，带宽800 Hz—450 kHz。闪电与罗兰C信号接收处理系统由多个子台组成，配备成熟的GPS时间同步设备，结合无缝数据采集技术(实现多路信号的高速连续采集)，将多个子台收集的数据进行时间同步，由专用网络上传到省地震台网中心，进行统一分析和处理。系统硬件架构设计见图 3。

2 设计思路与功能模块

闪电与罗兰C信号接收处理系统研制涉及结构设计、接口设计、网络传输3方面，并设置数据采集模块、数据存储与回放模块、自动匹配多站数据模块，完成系统功能。

2.1 设计思路

(1) 结构设计。系统采用天线接收端和数据采集组成前端子台，各子台数据通过网络汇集到地震台网中心，在台网中心进行统一的综合分析和处理。各子台的VLF/LF闪电和罗兰C信号接收机可以同时接收闪电放电产生的垂直电场和正交水平磁场。该接收机的有效探测距离不小于500 km，带宽800 Hz—450 kHz。使用基于CUDA并行的闪电事件定位法，利用到达时间差方法对闪电事件进行定位，利用查找表的方法优化求解，使用GPU并行构架提高查找表算法效率，利用归约算法进行并行匹配。同时，为了保证数据网络中断不会造成数据丢失，各子台增加存储和定位信息。

(2) 接口设计。每个子站的VLF/LF闪电信号经由具备GPS时间打码功能的连续数据采集系统采集，存放于本地硬盘。数据以GPS时间索引和闪电信号原始数据的格式存储，按照时间先后顺序存放于系列文件。闪电时序信号波形及其时间信息可根据数据文件格式编程解码读取(适用于大批量处理)，或由系统自带的数据解码文件解为文本文档供进一步处理之用(适用于个例处理)。

(3) 网络传输。由于数据量巨大(单站最大理论数据流量为40 Mbytes/s)，利用离散余弦变换DCT得到数据在频域上的系数，截取低频信息。实时采集信号DCT压缩，只要1 M带宽即可满足闪电波形的实时网络传输。各站的信息(包括监控信息以及闪电波形峰值点时间信息)从子站以网络传输的异步非阻塞构架Socket方式传回。

2.2 功能模块

(1) 数据采集模块。数据采集模块可采集最大速率为5 M/s的闪电与罗兰C信号，通过DCT变换压缩技术，仅需1 M/s带宽即可满足采集传输需求。设置采集端闪电信号触发阈值，并可通过5条通道同时采集数据。

闪电信号较罗兰C信号的频带更广、信噪比更大，为滤除其他电磁干扰信号，设置合适的触发阈值对采集和存储闪电信号比较重要。经多次试验和总结，软件的阈值系数设置为-0.051—0.044，可排除子台附近的电磁干扰，利于闪电信号采集。

(2) 实时分析与计算模块。软件实时分析与计算模块包含：电离层D层高度实时计算(分钟级)；实测罗兰C信号显示；直达波与反射波到时差显示；闪电与罗兰C信号强度显示。其中，通过对数据的连续处理，得到不同时间段的分钟级结果，即电离层D层各项参数的变化曲线及空间分布图像。通过反演得到电离层数据，分析观测网上空D层参数特征，结合软件运行期间发生的地震事件，尝试探索地震发生前后电离层D层参数变化。

(3) 数据存储与回放模块。系统设计数据存储与回放模块，其中数据存储模块从闪电信号接收处理系统的数据采集端读取实时采集的闪电波形数据和罗兰C信号波形，将数据直接存入数据库。回放模块可从数据库中读取实时反演的信号数据，进行数值变换和绘图，按照时间顺序逐一查看(图 4)。

(4) 自动匹配多站数据模块。如何使多台站数据在时间基础上保持一致性，是反演电离层高度等参数的一个重要前提。为保证数据网络中断不会造成数据丢失，各子台均增加存储和定位信息。在确保时间一致性前提下，使用基于CUDA并行的闪电事件定位法，利用到达时间差方法定位闪电事件，利用查找表方法优化求解，使用GPU并行构架提高查找表算法效率，利用归约算法进行数据匹配，达到多台站计算结果匹配。

3 结束语

闪电与罗兰C信号接收处理系统配置方便，使用便捷，系统安装需具备Matlab 2017运行环境或相对应的MCR环境，配置VC++运行库。在安徽省地震局3个有人值守台站分别部署一套前端子台，自2017年9月运行以来，该系统工作状态良好，与安徽省地震局多部门、多学科组共享成果和数据。

闪电观测电离层技术的研究立足于弥补传统观测方法的诸多不足，开展闪电与罗兰C信号的观测与研究，旨在尝试探索地震发生前后观测网上空电离层D层的变化，寻找其与地震活动的对应规律。闪电与罗兰C信号接收处理系统将电离层观测资料与地面观测资料综合起来，将进一步丰富地震前地球物理监测手段，更好地拓展已有观测网络效能，完善地震立体监测网，为地震预测、预报提供新途径。