闪电永远不会重复？也许 Blitzortung 知道！
为 Blitzortung 闪电探测网络构建和使用。
引言
在浏览我日常习惯浏览的新闻/小工具和硬件网站时，我偶然发现了一个关于 Blitzortung 网络的一篇文章。我甚至在当天就在 Lounge 页面上发布了指向它的链接，因为它让我觉得非常着迷。
它允许您通过浏览器几乎实时地（由于处理延迟通常为 3 到 5 秒）观看实时闪电击中数据。当欧洲或美国出现一些风暴时，它会非常令人印象深刻，而且闪电次数相当可观！
我不知道你们怎么想，但我一直对雷暴着迷。我也对了解闪电发生在哪里很感兴趣，因为它会影响我通过直升机往返海上平台（offshore platforms）的行程！如果该区域或飞行路线上有活跃的闪电，直升机将不会飞行。
作为一个任何人都可以参与的社区项目，您可以从网站创建者那里购买必要的硬件（当时大约 200 欧元），任何提供数据的参与者都可以访问所有其他原始数据。
我想这将是另一个有趣的项目，让我可以再次拿出我的焊锡枪！
闪电探测方法
该项目有非常好的详细介绍系统如何工作以及背后的所有科学原理（请参阅项目描述 http://www.blitzortung.org/Webpages/index.php?lang=en&page=3），但 suffice to say（足够说明）的是，闪电会产生非常低频（3kHz 到 30kHz）的电磁波，这些电磁波可以传播数千公里。
这些波可以通过使用 E-Field（电场）或 H-Field（磁场）天线进行检测，信号经过滤波和处理以确定闪电击中。
该系统使用 GPS 网络来获取每个探测器检测到的每次闪电击中的精确时间以及探测器在网络中的位置，然后通过使用到达时间（Time-Of-Arrival）原理，可以非常准确地确定每次闪电击中的位置。
我建议下载详细的解释，上面的链接中的 pdf 文件包含所有漂亮的图片和解释。
硬件构建
我选择购买一个完整的 H-Field 系统，因为它使用小型铁氧体棒（200mm x 10mm），与使用更大的同轴环形天线或 E-Field 天线相比，它们在定位方面有更灵活的要求。
套件包含一堆零件，如下面的照片所示。
套件中包含；
- 2x 铁氧体棒天线
- 2x 定制 PCB（一个控制器和一个放大器）
- 1x (122x132 像素) 图形 LCD
- 1x STM32F4 Discovery 板 (Arm Cortex M4)
- 1x ATMega 8-16 微控制器 IC
- 1x 以太网控制器 ENC28J60 IC
- 1x GlobalTop PA6H GPS 模块
- 1x GPS 天线
- 8x 各种表面贴装运算放大器
- 众多 LED、电阻、电容、二极管、接线端子、RJ45 插座、蜂鸣器、开关等。
首先要从最小的组件开始，然后逐步构建到最大的组件。最难安装的零件是表面贴装的运算放大器集成电路。我发现将它们连接到 PCB 焊盘上的最简单方法是预先焊接一个角的焊盘，然后在施加热量时将 IC 滑入位置，并轻轻将其调平以对齐其他焊盘。焊接对角的焊盘，然后填充剩余的焊盘。下面的放大器板上可以看到这些；
第二个最难安装的组件是 GPS，因为它实际上没有任何端子。它具有用于插入插槽的小半圆形支架，因此必须真正依赖于获得良好的热传递和毛细作用，才能在触点的微小表面上获得牢固的焊点。我使用了与 SMD 相同的方法，但真的应该有一个更细的烙铁头。它可能不好看，但至少管用！
在收到套件之前的阅读过程中，我还注意到要记住并将大电容器侧放在板上（即折叠）焊接，因为 Discovery 板必须安装在主控制器板上，覆盖在它们上面。
其他几个小问题是；
1) 其中一个 SMD 焊盘在焊接时脱落，在查看了芯片的数据手册后，发现这是无连接（no-connection）。
2) 提供的一些电阻是 47 欧姆，而不是规格要求的 49.9 欧姆，在与网站核对后，这些组件都是可以的。
在构建了两块板几个小时后，我没有时间进行任何测试就结束了，不得不去收拾行李并睡一会儿，以便在返回工作岗位几周前得到休息。下一步只能等我回家后再进行！已完成的板；
回来后，是时候拿出说明书并回顾初步的硬件测试了。
放大器板的测试相对容易。这包括为 micro-USB 插座供电 5V，然后红色电源 LED 应该亮起，四个增益指示 LED 应该闪烁 4 次。然后板将使用 4 个 LED 以某种模式显示当前的放大器增益。调整增益电位器将调整 LED 模式。成功 #1！
这段初始测试的视频可以在这里看到： 
http://youtu.be/4HK5K_8OxRU
控制器板的测试甚至更简单，只需插入 5V 电源，并检查几个 LED 是否亮起，以及 GPS LED 是否开始闪烁。第二个测试涉及插入 Discovery 板并再次为系统供电，并检查内置的默认程序是否运行了 Discovery 板上的 LED。
Discovery 板的默认程序测试视频可以在这里看到： http://youtu.be/Otu352H0KJ8
下载了 ST-Link 软件 并获取了最新固件的副本后，将固件上传到 Discovery 板是一项非常容易的工作。
通电后，GPS 开始搜索并锁定卫星，LCD 显示了网络 IP 地址（从我的家庭路由器 DHCP 分配）以及卫星时间（UTC）/固定次数/可见次数和诊断信息，如 CPU 温度和电压，以及在自动模式下使用的放大器增益。连接控制器板和放大器板的以太网线使放大器板成功通电，增益 LED 未点亮，因为它们由控制器板自动控制。
该板还显示了 CPU-ID，用于在 Blitzortung 上注册您的帐户详细信息。这有效地将此站点链接到您的帐户。
天线构建
铁氧体棒需要封闭在塑料导管中（如果您想进行保护/防风雨处理），并且根据区域的干扰水平，可能需要进行屏蔽。这些棒安装在水平平面上，相互成 90 度角。这是因为我们专注于云对地闪电，电场与电流流方向平行，而磁场与此成 90 度角。
我从一开始就选择构建带有屏蔽的天线，而不是因为高干扰水平而可能需要稍后返工。铁氧体棒安装在 20mm 塑料导管内。屏蔽是通过使用粘性铝箔提供的。屏蔽的重要之处在于，屏蔽体在导管的长度上必须有一个间隙，否则它会变成一个微型单匝变压器并导致系统无法工作。您可以在下图中看到沿着导管的间隙。
为了提供屏蔽体和地之间的连接，我尝试将一根电线焊接到粘性箔上，但失败了，无法使其工作。最后，我使用了一些同轴电缆（来自标准的电视天线电缆），在去除了外护套、屏蔽层和内绝缘层后，我将其沿着屏蔽体的长度放置，并在两端用紧密缠绕的自融性胶带固定。在测试了屏蔽体和地线之间具有良好连接后，我应用了热缩管和热缩端盖来密封整个装置，并提供屏蔽连接线和屏蔽体之间的额外压力。
我安装天线的位置可以看到一扇屋顶窗户，因此我想确保我能看到 LED。我购买了两个透明盖的防风雨外壳来安装两个 PCB。这些是从 E-Bay 上的一家零售商购买的，型号是 Gewiss GW44426 和 Gewiss GW44427。为了提供电缆入口的密封，我使用了一些标准的 12mm 和 20mm 防水电缆填料，同样是在 E-Bay 上购买的。
使用当地 DIY 商店的白色塑料棒，我制作了一些 PCB 支架，并使用热胶枪将其固定在盒子上。支架的高度确保了通过将 PCB 移到透明区域，我可以看到 LED。您可以在下图中看到一个典型的支架；
对于天线，您现在可以看到安装在盒盖透明区域的 LED，如下面的图片所示；
现在两个 PCB 都 nicely secured（牢固地固定）在防风雨外壳中，是时候将它们定位到最终位置了。控制器板和天线板都在各自的外壳中；
安装电路板/天线
我的烟囱上有一个旧的天线支架，我认为那里是安装的好地方。它离我阁楼中任何电噪声源（太阳能逆变器、计算机、网络设备、淋浴泵、中央供暖泵等）最远。
最初，我在天线盒背面使用了一些 Araldite® 胶水粘合了一些实心塑料棒，然后使用卡箍将其固定在旧天线支架上。我想这样做，这样就不需要在外壳上打任何不是完全防水的孔了。不幸的是，这种方法失败了，因为粘合剂没有粘住外壳，一个在拧紧时脱落了，我不相信另一个在强风中能持久。我恢复到计划 B，使用了一个天线 U 型螺栓，并在外壳背面钻了两个孔，然后使用我放在车库里的建筑防水膜制作了一个防水密封。
外壳已安装，电缆通过现有的屋顶穿透处（用于太阳能热水系统管道）返回室内。您可以看到铁氧体棒导管现在已用热缩管包裹，并且每侧臂都带有屏蔽线。
控制器盒安装在我热水器柜内，从天线来的电缆连接在此，同时 GPS 天线也通过相同的屋顶穿透处引出，并固定在太阳能热水系统管道的绝缘层上。最后，从柜子附近的一个插座获取 USB 电源，并将一根网线连接到主交换机，以完成安装。
软件部分
控制器提供了一个用于配置的 Web 界面，并且我在早期的硬件测试中已经设置了网络等。
通过浏览器连接到控制器的 Web 界面，并切换到 **Signals**（信号）选项卡，您可以看到来自天线的数据。通过激活 **Noise floor**（噪声基底）复选框，您可以查看所有背景噪声和偶尔的信号数据尖峰。您还可以看到阈值和噪声基底数字动态调整水平虚线。
真实雷击数据
现在系统稳定运行，收集和处理数据，我打开了实时信号视图和 Blitzortung 网站上的主要实时地图，然后耐心等待！手指随时准备按下打印屏幕按钮，捕捉我在地图上看到的第一个显示我的站点的雷击以及数据上的相应尖峰。幸运的是，欧洲有几场风暴在酝酿，所以我希望不会太久。果然，几分钟后……砰！抓到了，键盘被敲击，我完美地捕捉到了那一刻，一次在丹麦北部的闪电。
在上图中，您可以看到我的站点（红箭头指示）。白圈实际上会移出以表示来自闪电的声波传播。线条可以是绿色或蓝色。绿线连接到检测到闪电的参与站点。蓝线是用于计算闪电位置的 12 个最近站点。
在上图中，您还可以看到其他红色/橙色/黄色白色标记，这些是之前最近的闪电，左上角的图例显示了每种颜色的“分钟数”，左下角的图表显示了每种颜色的闪电次数。
更多数据探索
以下是一些任何人都可以查看的数据链接；
Blizortung - Blitzortung 主页
闪电地图 - 使用 Blitzortung 数据的另一个网站
站点 1147 - 我的阿伯丁（英国）站点数据摘要（在闪电地图上）（每 15 分钟从 Blitzortung 更新一次）
站点 1365 - 我的多哈（卡塔尔）站点数据摘要（在闪电地图上）（每 15 分钟从 Blitzortung 更新一次）
以上链接中的站点数据页面还包含与特定安装相关的详细信息。这些包括诸如闪电次数和与网络的比率等统计数据，还有与数据相关的图表。
站点捕获的最新闪电数据并广播到系统中，以及闪电的频率分析。这两张图表如下所示
另一个有用的图表是闪电次数与站点距离的分析。
长时间站点数据
闪电地图网站还提供了对长期数据（即从站点上线开始的几乎所有统计数据）的一些有趣视图和统计数据。
我的阿伯丁站点迄今已检测到 2,263,748 次闪电（站点运行时间 364 天），最近的距离为 1.1 公里，最远的距离为 9399 公里！
我的多哈站点迄今已检测到 109,606 次闪电（站点运行时间 46 天），最近的距离为 312 公里，最远的距离为 7896 公里。
此外，系统提供所有站点之间的距离，使用 GPS 系统，所以我现在知道我的两个站点之间有 5503 公里……虽然我真的不需要知道这个！
参与者独有数据
正如我之前提到的，提供站点数据的参与者可以访问 Blitzortung 系统中的所有原始数据。数据的使用有条件，例如，不得用于商业服务，不得将数据转发给他人。
作为参与者，您可以轻松下载原始日志。只需以以下格式向服务器发出 HTTP 请求即可
http://<用户名:密码>@<服务器>.blitzortung.org/<区域>/Protected/Strokes/<年>/<月>/<日>/<小时>/<分钟>.log
每个文件包含 10 分钟的闪电数据块。如果我输入上面（在地图图像中）我捕获的闪电数据块开始的日期/时间，您可以看到返回的原始文本文件，其中包含条目；
2014-08-24 13:52:01.846953381 pos;57.315008;11.488181;0 str;0.00 dev;4564 sta;11;134;545,1012,591,740,589,813,1092,590,585,781,
702,466,869,739,767,598,979,588,741,592,
30,130,584,594,1014,830,641,246,1109,997,
986,469,785,944,125,1121,1086,43,891,111,
699,715,969,1032,1052,893,896,1028,688,526,
859,370,1107,627,535,752,711,764,866,735,
833,889,845,779,994,694,1049,826,693,847,
879,907,283,1043,685,304,573,768,674,912,
1147,1063,414,733,988,1011,894,1048,538,777,
1116,51,957,1075,1095,703,687,774,856,1006,
434,829,784,811,76,843,878,824,923,198,
922,959,890,780,747,546,766,698,810,193,
838,786,933,1071,938,887,846,1083,1131,559,
800,839,1104,678
这些信息可以解析为：日期 时间 位置 强度（视可用性而定）偏差（纳秒）和站点列表（前 11 个用于计算，134 个检测到的闪电，1147=我的）。
还有站点参与者列表，其中详细说明了位置、板类型、放大器设置等。
站点列表和原始日志文件每分钟更新一次。
站点私有数据
登录 LightningMaps 网站还可以为站点所有者提供扩展数据。这包括更长时间内的各种闪电分析和一些关键指标，如以下所示；
- 自以来记录的长期数据:2014-08-19 15:19:11 UTC
- 检测到的闪电:149,663
- 站点活跃:85.4 天
- 站点不活跃:1.5 天 (无 GPS 0.3 小时)
- 每小时最大闪电次数:938
- 最小距离:86.5 公里
- 最大距离:3,821.5 公里
- 检测到的信号:1,655,781
- 闪电比率:12.2%
- 定位比率:9.0%
- 每小时最大信号数:8,737
网络数据;
- 数据收集开始时间:2011-05-06 10:10:52 UTC
- 闪电数据导入:1,239,290
- 到 Blitzortung.org 的流量:3,129.3 MB/天
- 流量 - 闪电:9.2 MB/天
- 流量 - 站点:4.5 MB/天
- 总流量:874,943 MB
控制器 Web 界面 - 更多信息
控制器 Web 界面还提供了关于系统的一些关键部分的信息；
固件和硬件版本以及 CPU 温度、电压和处理器负载
放大器通信的详细信息，以及当前触发级别设置和运算放大器中使用的增益值。还可以看到噪声基底水平的详细信息。
有相当多的 GPS 信息，包括实际可见的卫星及其信号水平，以及 UTC 时间和当前/平滑位置。将平滑位置输入 Google 地图，然后放大到地球视图，显示 GPS 比实际天线位置大约偏移 4 英尺。
跟踪器详细说明了网络接收到的信号数量以及生成的信号数量，并非所有信号都被认为是好的并发送到网络。
其他视图
下面是一个北美 10 秒闪电活动的记录；
闪电密度图
该系统还可以生成全球闪电密度概览，这提供了当前天气活动热点发生的地点的大致视图，下面是地图的快照。
结论
一个有趣的社区项目。毫无疑问！对第一次就成功启动的电路板感到惊讶，所以我的焊接技术应该不算太差。
我需要看看该设备随着时间的推移表现如何，以及可以提取哪些类型的数据。我正在考虑如何监控我的雷击检测，并可能查看我检测到的最远闪电随时间的变化，目前我最远已接近 9399 公里！
我相信 Blitzortung 的开发人员将继续更新控制器固件以及网站，提供一些 API 或更多功能。
然而，需要更多的参与者，只有大约 1200 个站点，还需要更多站点来提高系统在全球的覆盖范围和准确性。
那么，问题的答案是……闪电会重复袭击吗？嗯，也许你只能加入才能找出答案：）
历史
- 2015 年 8 月 28 日 - 添加卡塔尔探测器、密度图、更新统计数据
- 2014 年 8 月 24 日 - 首次发布。