CN101283293B - 闪电探测 - Google Patents

Abstract

一种用于闪电探测的闪电探测器和闪电探测方法，其中该闪电探测器包括：具有模拟前端和数字基带的全球数字广播(DRM)数字广播系统接收器；其中当在相同的AM频带应用引擎中运行DRM接收器应用和闪电探测应用时，通过该模拟前端DRM接收器，可以探测来自闪电的无线电信号。

Description

闪电探测

技术领域

本发明涉及一种闪电探测器。本发明还涉及一种用于探测闪电的方法。

背景技术

雷暴是一种主要的危害性天气，但是很难预报。它们能以20km/h至40km/h的速度传播，而且雷击可以在雨云之前多于10km和雨云之后同样距离处发生。当由云或天气锋产生雷击时，许多最危险的雷击实际上是在不存在上述可见云作为雷暴警告时发生的。由此，可以将警告危害性雷暴可能性的系统视为主要的安全装置，即使该系统只能在这些雷暴变得可见之前大约十分钟发出警告。

有很多人将受益于这样的安全装置。对于某些人，该安全装置可能仅仅提供了一种想要得知的日常知识。但是，对于相当多的人来说，暴风雨和闪电产生的威胁很大程度上意味着增大的危险、财产损失乃至致命后果。闪电预警系统是特别重要的，例如对长时间在户外的人们，同样地，对于飞行员、航海家等也是如此。一种提供闪电警告的系统，即使在天气看起来相当平静和晴朗的时候，也可以使人们及时采取适当的安全措施，例如寻找隐蔽所等。

在该技术领域中，已知很多单一目的的闪电探测器，但是从商业观点看它们具有某些缺陷。气象用途的科学闪电探测器非常庞大，并且它们的范围为数百公里。

另外一些使用单一射频(RF)频带的高端闪电探测器和诸如移动电话相比，同样很大并且比较昂贵。而且，它们通常需要具有例如立在墙上或在桌架上的特别定位，用于获得所需的精确度或者方向性。这样它们就不太适于真正地移动使用。这些设备典型地还必须要在雷暴的可靠探测成为可能之前将其垂直定位并保持数分钟的稳定。

此外，现在还存在廉价的低端闪电探测器，在尺寸方面其完全可便携，并且不需要特别的定位。但是，这些探测器都非常易受电磁兼容性(EMC)发射的影响，并且易于发生误报警，特别是在城市环境中或靠近公路时。

当前大多数市场上可得到的移动闪电探测器是通过测量由超低频(VLF：3kHz至30kHz)闪电产生的电磁发射来探测雷击。此外，已知数十年来，通过使用传统的工作在长波频率(150kHz至300kHz)和中波频率(500kHz至1700kHz)的AM广播收音机，能够“听到”雷击。但是，存在很多出版物，其中通过其在3MHz至300MHz之间的HF和VHF频率和甚至更高(UHF)频率的发射已经探测和测量到闪电。

发明内容

全球数字广播(DRM)是一种设计为在AM(调幅)长波、中波和短波(SW：2MHz至30MHz)广播频带中使用的数字广播系统。该DRM信号设计为能够适合于在150kHz至30MHz频率范围内的现有AM广播频率分配方案。为了从DRM广播台接收信号，接收器使用模拟前端和数字基带部分。该接收器的数字基带部分包括用于复信号处理任务的处理器控制的硬件加速器。在图2中介绍了典型的DRM接收器的结构。整个AM频带接收器系统能够集成在单块芯片上，该芯片能够嵌入到移动RF设备中，特别是移动电讯终端中。

通过在DRM接收器ASIC中可用的模拟前端，为了预报雷暴，能够由该模拟前端接收来自遥远闪电事件的无线电信号，并由该基带信号处理部分进行分析。

本发明基于一种将DRM广播AM接收器和闪电探测器结合的新颖结构，该结构优选地能够集成到移动RF设备，特别是移动电讯终端。

在本发明中，一种灵活的AM DRM前端和基带结构使DRM接收器和闪电探测应用可能在相同的AM频带应用引擎(engine)中工作。该DRM接收器使用模拟前端、数字硬件加速和处理装置，该处理装置典型地为ARM(先进RISC机构)微处理器或类似的嵌入式微处理内核。该闪电探测器既使用模拟前端，又使用用于处理装置的软件应用。

通过两种应用使用单一AM频带引擎，这两种AM频带应用能够在单一AM频带结构中运行，本发明能够实现成本减少。

附图说明

图1表示DRM接收器的模拟前端的框图，

图2示出了数字基带DRM接收器的结构，

图3表示零差DRM接收器，

图4表示DRM接收器数字基带操作以举例说明DRM算法如何能够在DRM接收器中实现，

图5对应于图4，并表示DRM算法到硬件和软件的划分，其中如果激活闪电应用，则只要硬件模块对于闪电应用不是必需的，就将这些硬件模块设置为睡眠模式，并且其中用闪电软件代替DRM软件，并且处理装置在没有附加硬件加速的情况下工作，以及

图6表示本发明的前端的框图，

图7表示前端前置放大器，

图8表示根据本发明的DRM接收器和闪电探测的数字基带结构，由此用公共模拟前端接收的数据旁路硬件加速器并直接被导入处理装置，

图9是示出闪电数据的图表，

图10表示在两种模式中工作的I/Q调制器，以及

图11表示使用两个天线的闪电探测。

具体实施方式

在本发明中，使用单一HW引擎能够实现DRM接收器和闪电探测这两个AM频带应用。用于嵌入式处理器的软件被用于这两种应用，该嵌入式处理器典型地如基于ARM的处理装置。

根据图1的DRM接收器设计用于集成在移动设备中，并且包含模拟前端和数字基带。该前端能够接收直到30MHz的AM信号。

图1表示一种典型的DRM接收器模拟级，包括天线11、输入图像预防低通(LP)滤波器12、增益可调的低噪声放大器(LNA)13、RF混频器14，用于在指定为LO1的第一本地振荡器(LO)频率14的帮助下将输入信号下变频，从而选择性地使所选信道通过信道滤波器15，并通过自动增益控制(AGC)级16到两个I/Q混频器，其由具有I和Q分支混频器的正交输出的指定为LO2的第二本地振荡器来控制。该混频器还具有在它们各自输出以及各自基带ADC转换器的输入之间的滤波器。这些转换器典型地为快速Δ-∑(delta-sigma)ADC转换器，分别输出数字I和Q输出信号19和20。

在两个分支中，图1中的同相分支17和正交分支18能够分离地用于闪电探测目的。通常在RF系统中，通过使用针对所选调制方法的调制器将信息编码到RF信号中。在接收过程中，在兼容解调器中解码该信息。同相和正交相位分支的操作类似，将理想地将由本地振荡器10产生的本地振荡器信号LO2从任一分支信号中完全剔除。为了保持相位信息，通常在这两个分支中频率、滤波和增益常规上都相同。

在从闪电接收的电磁特征信号中，信号中没有相位信息。可以在信号频谱、信号大小或信号包络形状的基础上进行闪电探测。因此可以使用接收器不同配置的接收器的I和Q分支，即，可以修改接收器，使得闪电探测器使用两个信道，每个信道探测信号的不同特性。

使用这两个具有不同增益设置的分支，可以获得闪电探测的更大动态范围。这很重要，因为雷击的电磁特征信号大小很难预报。例如，当频率从3KHz增加到1MHz时，从雷击向地面的发射和从云内雷击的发射之间的幅度比明显减小。在3KHz频率时，该比率在20至40之间，但是在高于1.5MHz时，该幅度比大约为1。由此，通过比较在不同频率上接收的幅度，在两个明显不同频率(例如10KHz和1MHz)上的探测能够区分地面和云内的雷击。

图10的框图示出了典型的I/Q解调器如何能够用于在两个明显不同的频率上探测雷击。在对I分支混频器计时之前，在分频级101的帮助下简单地通过调节本地振荡器LO信号100的频率，I/Q解调器的同相103和正交分支104处理AM频率范围的不同频带。正交Q分支接收原始本地振荡器信号频率，只是在使用其对Q分支混频器计时之前按照惯例在移相器102中将相位移动90度。尽管如图所示，I分支具有分频器，但是也可以是Q分支或两分支都具有分频器。当不用于闪电探测时，这些分频器也可以被旁路或者调整为使用相同因子进行分频。

由图11举例说明的该布置，示出了与图10中相同的基本布置，具有天线111、带通滤波器112、低噪声放大器113和如上所述由本地振荡器140分别驱动的同相和正交混频器124和134。通过使用分频器120调整LO频率计时，可以调整同相频带混频器124这一分支接收所希望的频带，其可以利用同相无线电通道111、112、113、124、125、126和127用于闪电探测目的。

在标准对称I/Q配置中，输出127和137分别从I分支(124、125、126和127)和Q分支(134、135、136和137)中输出数字DRM数据。为了闪电探测目的，如上所述，可以调整这些分支使用不同的频带。在分支通路中的模块125和136分别包含在分别通过ADC转换器模块126和136转换数据之前所需的可调增益装置和滤波装置。在分别由模数转换器(ADC)126和136转换数据之前，分别在模块125和135中可以分别地为每个路径调节分支增益和滤波。

如果所希望的频带之一是基带，则对于该分支根本无需任何频率转换，并且例如可以使用开关150将混频器旁路。而另一分支如上所述仍然能够在比基带更高的频带上用于闪电探测。

对于这样的基带闪电探测，在大多数情况下需要单独的低频或感应天线131，并且在通过低通滤波器112的可选择滤波之后和通过放大器113的可选择放大或衰减之后，利用选择器开关150将所接收的基带信号直接馈送到正交分支135、136用于在由Q分支ADC 136数据转换之前在无线电通路中附加的放大和滤波。由此，来自该基带探测的数字输出信号137可以进一步由闪电探测处理装置处理。为了提取关于雷击的信息，来自较高频带探测的数字输出127同时可用于相同的处理装置。

在图6中以更复杂的形式示出了一种类似于图11中111的天线线圈。该天线线圈61形成具有10KHz中心频率的天线无源部分，后接有在天线有源部分中的增益级62。由于分支中所用的带宽已经足够了，因此不需要下变频。如果只有导线天线71，例如集成在移动电话的耳机中的导线天线可用，则还可以使用如在图7中所示的前置放大器72。这里所示天线也后接有简单的增益级72。

也可以使用I和Q分支，使得信道滤波器的带宽可以不同。这种实现方式提供更多关于雷击的信息并能够在不同探测模式中利用已使用的信道。例如大的带宽使所接收能量最大化，并可以有利地用于触发模式。但是，具有较窄带宽的信道能够更容易进行信号的波形分析，因为基带ADC转换器的速度要求较低。

出于对能量和成本效率的考虑，为了能够实现完全单片集成，如图3所示，DRM模拟前端使用零差拓扑。图像抑制要求非常宽松，由于中间频率(IF)为零，因此图像和所希望的信号相同。由自混效应造成的动态偏移问题可以用动态DC偏移补偿环路36进行数字调节，并且类似的环路用于另一分支。用数字控制滤波器32对所接收的天线31信号进行预选择，以放松射频(RF)自动增益控制(AGC)34对线性和动态范围的要求。该RF-AGC 34有利地使用高欧姆且低电容的输入级，这样其不会给天线31加载。

为了在整个DRM频带上进行信道选择，将基于小数分频(fractional-N)计数器33锁相环(PLL)的控制器用于产生图3中的所需的可变本地振荡器信号LO-I和LO-Q。为了给每个分支混频器提供对称的输出并确保正确的增益和用于下变频混频的相位正交信号，首先由输出计数器35对PLL 33输出信号进行因子为2的分频。

在这两个基带分支中的每一个基带分支中，信道低通滤波器和附加AGC一起使用，然后Δ∑-ADC转换器将DRM信号转换成数字形式，即来自同相分支的作为BB-I，并且来自正交分支的作为BB-Q信号，并将这两个数字信号输出到DRM接收器的数字基带部分的硬件加速器。

数字基带部分包含图2中用于复信号处理任务的硬件加速器22，具有其自己的本地RAM存储器和嵌入式处理器装置25，即ARM微处理器，以运行专用AM基带应用软件23和控制数据流。典型地将该DRM应用软件存储在非易失性存储器23中并在处理装置25的主RAM存储器26的帮助下运行。

DRM接收器模拟前端21能够接收频率直到30MHz的AM信号，包括不用于DRM广播的AM频带。可以用相同的模拟前端接收由雷击产生的巨大电流造成的电磁频谱，并且这可以为闪电探测应用提供信号。

本发明提供能够例如在移动电话中处理两个AM频带应用的AM应用引擎。闪电探测AM频带探测信号旁路DRM接收器的硬件加速器，并由运行图8中应用软件83，典型地为ARM微处理器兼容软件的处理装置84分析该信号。用于带有闪电探测器的DRM接收器的独创组合结构示出了具有本地RAM存储器的数字基带HW加速器82以及带有主RAM存储器85的处理装置84。

DRM接收器包括模拟前端81、基带硬件加速器82和处理装置84，处理装置84具有高速缓冲存储器和主RAM存储器85。将由模拟前端81所接收的信号转换到数字域并由硬件加速器82和在主RAM存储器85的帮助下运行软件83的微处理器84进行处理。

DRM接收器的某些任务，例如同步和信道估计，需要较高的计算能力，因此由硬件加速器82来执行。该加速器包括如图8中所示的本地RAM存储器。另外一些需要较少计算能力的任务和数据流控制可以由使用其高速缓冲存储器和主RAM存储器85的处理装置处理。总线系统处理数据交换，这样处理装置84能够在软件83控制下读取任何输出的数据。该软件83配置用于控制DRM接收应用以及任何其他应用，比如此闪电探测应用。

闪电探测接收器包括直接向处理装置84发送探测器数据的模拟前端81。

来自闪电探测的信号以及DRM数据二者都要转换到数字域，但是闪电探测信号将旁路DRM接收器的硬件加速器82。微处理器84将从闪电探测应用软件83得到指令并对从模拟前端接收的图8中标为“探测器数据”的信号进行处理。

最终的实现是单个芯片实现，包括模拟前端、数字基带硬件加速、作为处理装置的ARM微处理器以及外部接口。该单芯片实现为AM频带引擎提供成本效率。

由于DRM接收器和闪电探测使用相同的ARM微处理器，因此同时执行这两个应用。

DRM接收器也可以用作另一闪电指示器的触发设备，由此另一个闪电指示器可以是单独的设备或者集成到移动RF设备。这种布置带来了节能解决方案，因为可以将该另一个指示器关断直到DRM将其触发为激活模式。

对于本领域技术人员来说，很明显本发明的不同实施方式并不限于上述例子，而是可以在权利要求的范围内进行变化。

Claims (26)

1.一种用于闪电探测的闪电探测器，其特征在于，该闪电探测器包括：

具有模拟前端和数字基带的全球数字广播DRM数字广播系统接收器；

其中当DRM接收器应用和闪电探测应用在相同AM频带应用引擎中工作时，通过模拟前端DRM接收器，能够探测来自闪电的无线电信号。

2.如权利要求1所述的闪电探测器，其特征在于，将组合的AMDRM广播接收器和闪电探测器集成到移动RF设备。

3.如权利要求1所述的闪电探测器，其特征在于，所述DRM接收器使用模拟前端、数字硬件加速和处理装置，并且所述闪电探测器使用模拟前端和与所述处理装置兼容的应用软件。

4.如权利要求1所述的闪电探测器，其特征在于，所述DRM接收器包括I/Q解调器；

其中在不同的模式中使用基于I/Q解调器的接收器的同相分支和正交分支。

5.如权利要求4所述的闪电探测器，其特征在于，所述基于I/Q解调器的接收器的同相分支和正交分支处理AM频率范围的不同频带。

6.如权利要求1所述的闪电探测器，其特征在于，DRM模拟前端具有零差拓扑。

7.如权利要求1所述的闪电探测器，其特征在于，所述DRM接收器是另一闪电指示器的触发设备。

8.如权利要求1所述的闪电探测器，其特征在于，DRM接收器模拟级包括天线、输入图像预防低通滤波器、增益可调的低噪音放大器LNA、RF混频器，用于在第一本地振荡器LO频率的帮助下将输入信号下变频，从而选择性地使所选信道通过信道滤波器，并经自动增益控制级到达由带有正交输出的第二LO控制的I/Q混频器。

9.如权利要求1所述的闪电探测器，其特征在于，所希望的频带之一为基带，并且所述闪电探测器包括天线、带通滤波器、低噪声放大器以及同相混频器和正交混频器，所述混频器由具有正交输出的本地振荡器计时。

10.如权利要求9所述的闪电探测器，其特征在于，在一个分支中通过为解调器混频器对所述LO频率分频，所述分支可以在不同于DRM频率的频率上用于闪电探测目的。

11.如权利要求9所述的闪电探测器，其特征在于，所述解调器的I分支和Q分支分别在不同的频带上使用。

12.如权利要求9所述的闪电探测器，其特征在于，当一个分支用于闪电探测时，另一分支可以用于另外的基带闪电探测，通过为这一目的布置旁路开关使得没有所述混频器进行的下变频。

13.如权利要求2所述的闪电探测器，其特征在于，所述移动RF设备是移动电讯终端。

14.一种闪电探测方法，其特征在于，该方法包括：具有模拟前端和数字基带的全球数字广播DRM数字广播系统接收器；

其中当DRM接收器和闪电探测应用二者在相同AM频带应用引擎中工作时，通过模拟前端DRM接收器，探测来自闪电的无线电信号。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述DRM接收器使用模拟前端、数字硬件加速和处理装置，并且所述闪电探测器使用模拟前端和在所述处理装置中运行的应用。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，同时执行那些应用。

17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，由在所述处理装置中运行的专用软件处理闪电探测AM频带无线电信号，所述无线电信号旁路DRM接收器的硬件加速。

18.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述DRM接收器用作另一闪电指示器的触发设备。

19.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述DRM接收器模拟级包括天线、输入图像预防低通滤波器、增益可调的低噪音放大器LNA、RF混频器，用于在第一本地振荡器LO频率的帮助下将输入信号下变频，从而选择性地使所选信道通过信道滤波器，并经自动增益控制级到达由带有正交输出的第二LO控制的I/Q混频器。

20.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所希望的频带之一为基带，并且所述方法包括使用天线、带通滤波器、低噪声放大器以及I/Q解调器的同相混频器和正交混频器，所述混频器由本地振荡器计时。

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，布置分频器用于将本地振荡器频率分频，其给所述I/Q解调器的一个混频器计时。

22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述解调器I/Q分支用于不同的频带。

23.如权利要求20所述的方法，其特征在于，可以调整所述解调器I/Q分支以使用不同的路径增益。

24.如权利要求20所述的方法，其特征在于，可以调整所述解调器I/Q分支以使用不同的路径滤波。

25.如权利要求20所述的方法，其特征在于，当一个解调器分支用于闪电探测时，另一分支用于另外的基带闪电探测，通过为这一目的布置混频器旁路开关使得没有下变频。

26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，为了基带闪电探测，使用单独的低频感应天线，并在由低通滤波器的可选择滤波之后，利用所述混频器旁路开关将所接收的基带信号直接馈送到所述I/Q解调器的一个分支的输入，并且在模数转换之后输出到处理器装置。

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