CN101539599A - 数字式雷电探测方法及其装置 - Google Patents

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张勤
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方玉河
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彭庆华
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国网电力科学研究院
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Abstract

本发明涉及数字式雷电探测方法及其装置,本发明的方法是,接收地闪雷电放电时产生的电磁信号,产生电检信号;将调理后的电检信号进行数字化处理;对数字信号进行滤波;建立统一的时间标尺;结合雷电电磁辐射波形的传输特征,并用时间判别法、双极性测试法和同极性测试法建立雷电信号识别判据,构建数字化地闪雷电信号识别模型;建立时间窗预处理区,获取输入的数字信号的发展趋势和对应的典型参数;结合时间窗中的数据,用数字化地闪雷电信号识别模型对输入的数字信号进行参数计算及判定。本发明的装置由天线,信号调理器,模数转换器,地闪雷电信号识别模型模块,系统控制管理器,辅助控制管理器,通信接口,外部存储器及时钟组成。

Description

数字式雷电探测方法及其装置

技术领域

本发明属于雷电探测领域,涉及雷电探测方法及其装置,特别是数字式雷电探测方法及其装置。它是一种以数字信号处理为基础的,具有灵活调整能力的数字式雷电探测方法及装置。其适用于大区域范围的雷电探测。背景技术

众所周知,雷电发生时会产生强大的声、光、电信号,其中声和光信号由于其自身的特性,作用距离短,不适用于远距离大区域雷电探测。然而,雷电活动所产生的电磁辐射场,尤其是主能量集中的低频/甚低频段的电磁辐射场,其产生的电磁辐射波可沿地球表面传播数百公里或更远。现有的雷电探测方法及装置通常是检测雷电活动所产生的低频/甚低频段电磁辐射波所对应的电磁感应信号。据申请人所知,现代雷电探测技术始于二十世纪七十年代末,由美国科学家Martin A. Uman和E. Philip Krider教授提出并实现的,随后该技术在美国、中国、法国、德国迅速发展,研究和实验证明,准确区分雷电活动中的云闪和地闪是雷电探测技术方法的关键。据申请人所知,目前所公开的用于区分云闪和地闪的识别判据有:时间判别法,即检测输入信号的主峰由参考零点到峰值点的时间,因为云闪电检信号具有短暂的上升时间;双极性测试法,即与第一峰相比较,后续相反极性波峰的峰值偏大,则被判定为云闪;另一种方法是同极性测试法,即存在与第一峰极性相同的后续峰,且后续峰峰值偏大,则被判定为云闪。如果所输入的感应信号不满足上述判定则将被假定为地闪雷电信号。但是,即使综合利用上述判据,仍然存在地闪雷电信号被错误的判定。

申请人在研究中发现,利用上述这些方法实现的雷电探测方法及装置,就是利用判据组建一种雷电信号识别数学模型,其实现方法一般是采用模拟信号处理或者模拟与数字信号混合处理实现的,其特点是雷电信号识别模型和处理系统实现起来较为简单,基本上能够满足多站系统同时监测雷电要求。其不足之处是:1、判据复杂时实现困难,对云闪、地闪的区分率相对低,在只接受地闪的探测系统中还可能影响探测效率;2、电路设计定型以后,雷电信号识别模型不便于根据使用情况的改变而改变或调整,从而造成部分不满足预定判据条件的真雷电信号丢失,由此降低了探测装置的接受效率;3、模拟电路存在固有的不稳定性,随着工作时间的延长会造成其内部参数发生漂移;4、存在"寂静时间",模拟器件需要利用跟踪和保持电路来检测预选电检信号、捕获有用电检信号、并完成对电检信号特征的分析,在这一状态中通常无法及时响应后续信号。

中国专利文献03808337. X闪电探测和数据获得系统,其描述了一种可检测雷电活动所产生的低频/甚低频段电磁辐射波所对应的电磁感应信号的雷电探测器。它利用天线的导数特性和非线性放大器实现云闪和地闪振幅的调整和压缩,降低了输入信号的动态范围。再利用高速模数转换器(简称ADC),从输入端将信号进行了数字化采样编码,实现了由模拟判别向数字判别的进步,消除了以往硬件系统存在的固有的寂静时间问题。该中国专利文献描述的雷电信号探测器是用数字信号处理器(简称DSP)作为系统平台,利用计算机程序语言描述雷电信号识别数学模型,并在DSP上实现雷电信号识别模型及其信号处理,具有可编程特性,相对于以往探测方法及装置难以实现的复杂判据而言,其能够通过计算机程序语言在DSP内实现系统平台所要求的复杂模型,但其缺陷在于:1、要实现复杂模型,需要进行大量的运算处理,有时不得不运用复杂算法,才能获得较为真实的结果,但运用复杂算法时将会占用DSP庞大的资源,降低系统性能,影响信号响应和处理速度,存在数据丢弃风险和信号响应暂停的可能。2、其所描述的用户可选择判据,是仅针对云闪判据或是地闪判据的选择,从而仅获取地闪数据或者云闪数据或者是两种数据全部获取,其识别判据依然是固定的,不能够针对实际情况对判据进行实时修正或扩充,存在局限性。3、该专利所描述的探测器具有数据压縮和十选一技术,但其所获得的数据仅包含能够判定雷电类型特征数据,不具备全波形数据的记录和传输能力。4、其特征数据不具备本地离线存贮功能。

中国专利97109239.7 "雷电电磁波到达时刻的探测方法",公开了一种雷电电磁波特征频段的时间标定法,但其具体的实现方式是采用模拟滤波器对雷电电磁波进行带通滤波,存在一定的时间漂移。发明内容

本发明的目的,是针对上述现有技术存在的不足,提出数字式雷电探测方法及其装置,实现地闪雷电信号全数字的准确实时识别,实现识别模型的灵活调整,并实现信号特征数据和全波形数据的同步数字处理和存储。

本发明的技术解决方案是: 一种数字式雷电探测方法,包括使用接收地闪雷电放电时产生的低频/甚低频段的电磁辐射场信号,并用时间判别法、双极性测试法和同极性测试法建立雷电信号识别判据,其特征在于,步骤如下:

1. 由天线感应接收地闪雷电放电时产生的低频/甚低频段的电磁辐射场信号,并产生对应的电检信号;

2. 对上述电检信号进行调理;

3. 将调理后的电检信号进行数字化处理,产生对应的数字信号;

4. 对上述数字信号进行数字滤波;

5. 建立统一的时间标尺;

6. 结合雷电电磁辐射波形的传输特征,并用时间判别法、双极性测试法和同极性测试法建立雷电信号识别判据,构建数字化地闪雷电信号识别模型;7. 建立时间窗预处理区,记录在此时间窗内的数据峰值和极性,记录此峰值对应的时间点,获取输入的数字信号的发展趋势和对应的典型参数;

8. 结合时间窗中的数据,用数字化地闪雷电信号识别模型对输入的数字信号进行参数计算及判定。

9. 根据判定结果确定输入的数字信号类型及产生此输入的数字信号的雷电放电类型;

10. 根据判定结果及输入的数字信号类型,计算并产生能够确定此输入的数字信号类型的多种特征数据和此输入的数字信号的参考时间数据;

11. 对上述输入的数字信号的特征数据和参考时间数据以及此输入的数字信号对应的全波形数据进行编码存储;

12. 利用通信通道传送己编码的数据。

上述数字式雷电探测方法,其特征在于:构建数字化地闪雷电信号识别模型的具体方法:

根据地闪雷电电磁辐射波的特征,及其在传播过程中的变化特征确定雷电波形信号的上升参考时间^,下降参考时间G,先导参考时间/3,反向过冲参考时间^,再确定雷电波形信号

的参考阈值g,并且建立雷电波形信号主峰峰值a寄存器和极性寄存器,建立后续峰值寄存

器和极性寄存器,后续峰简称次峰,建立同极性次峰最大峰值比较器和最大峰值a寄存器,建立先导峰值a寄存器和极性寄存器,建立反向过冲峰值^寄存器,建立上述峰值和极性的

相关比较关系,即a〉g, a〉a, a〉a, Ip,I〉IaI, ^极性=/?3极性,从而建立了基本的数字化地闪雷电信号识别模型;所输入的数字信号在满足上述所述的参考时间、相应的峰值和极性关系后,可初步判定为地闪雷电信号。

上述数字式雷电探测方法,其特征在于:整个地闪雷电信号识别模型的构建及信号处理过程是采用硬件描述语言VERIL0G程序;在整个地闪雷电信号识别模型的构建中,所述的参考时间、峰值和极性的比较关系是可编程的,是可在使用过程中,根据使用者的需要进行灵活调整和进一步扩充的。

上述数字式雷电探测方法,其特征在于,所述的时间窗、数字信号的判别和计算处理是釆用了并行流水线处理方法。

上述数字式雷电探测方法,其特征在于:所述的特征数据计算和参考时间数据计算是利用汇编语言和计算机程序语言C语言实现的;数字全波形编码存储采用高速直接读取方法进行。

实现上述数字式雷电探测方法的数字式雷电探测装置,包括天线、信号调理器,其特征在于:由天线,信号调理器,模数转换器,简称ADC,地闪雷电信号识别模型模块,系统控制管理器,辅助控制管理器,通信接口,外部存储器及时钟组成;系统控制管理器采用的是数字信号处理器,简称DSP;辅助控制管理器采用复杂可编程逻辑器件,简称CPLD;外部存

储器采用的是大容量并行高速静态存储器,简称SRAM;天线设有接收雷电电磁场辐射电磁波信号的输入端,天线的输出端与信号调理器的输入端相连,信号调理器的输出端与模数转换器的输入端相连,模数转换器的输出端与地闪雷电信号识别模型模块的数据输入端相连;模数转换器的时钟输入端与地闪雷电信号识别模型模块的时钟输出端相连;地闪雷电信号识别模型模块的时钟输入端与时钟的输出端相连;地闪雷电信号识别模型模块通过数据和地址总线分别与系统控制管理器和辅助控制管理器相连;系统控制管理器通过数据和地址总线与辅助控制管理器相连,并且通过数据和地址总线与外部存储器相连;地闪雷电信号识别模型模块、系统控制管理器、辅助控制管理器和外部存储器之间的控制输入输出端分别通过各自的控制总线相连;系统控制管理器的通信输入输出口分别与通信接口的内侧输入输出口相连;通信接口外侧的输入输出口与外界通信网相连。

上述数字式雷电探测装置,其特征在于:所述的地闪雷电信号识别模型模块采用的是现场可编程门阵列器件,简称FPGA; FPGA采用被动配置工作模式;内部连接均采用的是并行同歩总线方式连接;FPGA内部逻辑区是由波形预处理器、地闪雷电信号识别模型、雷电信号波形先入先出缓存器,简称FIF0、波形编码器、波形特征值寄存器阵列、时钟电路、时标信号发生器、数据接口电路组成;波形预处理器的输入端与FPGA的数据输入端相连;波形预处理器的输出端与地闪雷电信号识别模型的输入端相连:地闪雷电信号识别模型的输出端与波形特征值寄存器阵列的输入端相连;波形特征值寄存器阵列的输出端与数据接口电路的输入端相连;波形编码器的输入端与FPGA的数据输入端相连;波形编码器的输出端与FIFO的输入端相连;FIFO的输出端与数据接口的输入端相连;数据接口的输出端通过FPGA上的地址与数据总线与外界相连;时钟的输入端与FPGA的时钟输入端相连;时钟电路输出端分别与FPGA的时钟输出端、波形预处理器、地闪雷电信号识别模型、波形编码器、时标信号发生器的时钟输入端相连;时标信号发生器的输出端与波形编码器的时标信号输入端相连。

上述数字式雷电探测装置,其特征在于:还包括大容量非易失性存储器和系统控制管理器控制的自检系统;大容量非易失性存储器是一种高速并行存储器;自检系统是由高速数模转换器简称DAC、自检信号发生器、电子开关及系统控制管理器组成;系统控制管理器的自检信号输出端与DAC的输入端相连;DAC的输入端与自检信号发生器的输入端相连;自检信号发生器的输出端与电子开关的输入端相连;电子开关的输出端输出与天线的模拟信号输入端相连。

上述数字式雷电探测装置,其特征在于:所述的信号调理器是由前置放放大器、低通滤波器、积分器、高通滤波器、差分变换器组成;前置放大器的输入端与信号调理器的信号输入端相连;前置放大器的输出端与低通滤波器的输入端相连;低通滤波器的输出端与积分器的输入端相连;积分器的输出端与高通滤波器的输入端相连;高通滤波器的输出端与差分变换器的输入端相连;差分变换器的输出端入信号调理器的输出端相连;信号调理器中所采用的运算放大器均采用超低噪声运算放大器,信号调理器输出的信号为差分信号。上述数字式雷电探测装置,其特征在于:所述的时钟由高稳定的、精度为土O. lppm的温补晶振和全球卫星定位系统组成,并建立有时钟误差修正的控制器。

本发明的优点是,构思新颖、设计合理、性能稳定,提供了一种基于可编程门阵列的全数字化雷电波形识别方法和一种地闪雷电信号特征数据及全波形数据获取方法和装置。通过DSP、 CPLD和FPGA组合运用,实现了地闪雷电信号识别模型的完全可编程性,并具有可再配置能力,可针对要求灵活调整地闪雷电信号识别模型,以提高雷电信号的识别能力和类型区分能力。通过预处理区的建立,可预先了解输入信号的趋势和典型特征,为后续地闪雷电信号识别模型提供参考,可进一步提高信号判别能力。运用本发明所述的方法,雷电探测装置具有高效的运行管理和响应能力,能进行海量数据的实时处理和多种特征数据的计算,实现雷电信号特征信号和全波形数据的处理和记录,即使运用复杂识别模型以及面对密集数据处理吋,系统亦能有良好的表现。本发明装置,具有丰富的数据接口,可根据使用者需要进行功能扩展。此外,本发明装置具有高速通信网络接口,可实现与外部系统的数据通信和联网。附图说明

图1、本发明的实现方法框图

图2、典型的地闪波形示意图

图3、本发明的装置原理框图

图4、本发明的装置的结构示意图

图5、本发明的装置的最佳实施例结构示意图 .具体实施方式

下面,结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

如图1所示,其所描绘的是本发明方法中所需要实现的功能框图,其中,l为接收雷电活动所产生的低频/甚低频段电磁辐射波所对应的电磁感应信号,并将电磁感应信号转换为能够进行调理的电信号;2为输入的电信号进行模拟信号调理,调理方法包括:首先对微弱的电信号进行放大,然后对放大后的电信号进行低通滤波,以去除信号中的高频噪声以提高信号的信噪比,进一步对输入信号进行积分变换,把感应而来的微分信号还原为真实信号,积分后的信号将进行高通滤波,去除不必要的低频噪声信号,经过高通滤波处理的信号在进行模数转换前将进行差分变换,进一步提高模数转换前的信号的抗干扰能力;3为对输入的差分模拟信号进行数字转化。4为数字滤波,进一步消除或降低噪声对所关心的信号的干扰。

图1中,5为建立统一的时间标尺,时间标尺的精度达到0. lus单位,本发明中,所有的数字处理和识别过程均是基于这一时间标尺进行的。时间标尺的发生源是基于高精度、高稳定度晶振和GPS秒脉冲实现。利用时钟误差补偿计算方法对时间标尺进行误差修正,这一补偿方法是基于连续的计数和平均算法实现的。

图1中,6为构建地闪雷电信号识别模型,地闪雷电信号识别模型是一种数学模型,通

9过多种参数和条件的设定来建立。这些参数参照图2中所示,包括:上升参考时间/,、下降参考时间^、先导参考时间g、反向过冲参考时间"、参考阈值g,信号主峰峰值a,次峰最大峰值a,先导峰值a,反向过冲峰值a。利用verilog语言建立上述峰值参数寄存器,并建立上述参数的相关条件,即a >g, A >p2 , A > A , I a I 〉 I a i , a极性=p3极性和时间对比条件。数字信号在进入模型后, 一旦存在高于阈值g的信号后,模型将结合时间窗预处理7的数据进一步精确确定输入信号的各个峰值特征点,并标记各个峰值特征点的时间点和幅值数据。

图1中,7为一种时间窗预处理,是对数字滤波后的数字信号在进入模型的参数计算和判定之前进行的一种信号预处理,是建立一段固定长度的时间窗口,时间窗是连续不断的随时间向前移动,并且持续计算并记录这一端时间内的信号峰值数据和极性数据,判断信号的发展趋势,为地闪雷电信号识别模型提供参考数据。时间窗预处理方法也是利用verilog语言进行描述并建立的。

图l中,8为信号的参数计算和参数判定,9为信号类型和雷电活动类型判定,这两部分均为地闪雷电信号识别模型的一个处理过程。信号输入后,针对信号各个数字样本点计算出图2中所示的各个参数的数值,并根据判据判定参数是否满足所设定的条件, 一旦参数计算结果和参数判定结构满足模型所设定的条件,则类型判定9将会给出类型确认信号。

图1中,io为进行特征参数计算和参考时间的计算。在收到类型判定9给出的确认信号后,其将会立即读取参数计算和判定8中的全部计算结构和波形数据,并计算出能够表征型号类型的全部特征参数。

图1中,ll为数据编码和存储,对已经计算好的特征参数和对应的全波形数据进行统一编码操作,以便区分不同雷电过程的数据。编码后的这些数据进行存储。

图l中,12为数据输出,上述以编码的全部数据可通过通信接口进行数据输出。

如图2所示,其所描绘的是典型的地闪波形示意图,其中^为一次地闪雷电活动中主峰峰值,a为后续峰值中幅值最大的峰值,^为主峰前先导过程的峰值,a为反向过冲峰值。^为主峰的上升时间,/2为主峰后的下降时间,g为主峰前具有参考意义的先导发生时间段,^为具有参考意义的反向过冲发生的时间段,g为参考阈值线。在地闪雷电信号识别模型的

构建中,上述峰值和时间段是作为模型的主要判据。结合地闪雷电电磁辐射波的特征,及其在传播过程中的变化特征可确定上述峰值之间的关系以及对应的时间关系等数据。

如图3所示,本发明的装置——数字式雷电探测装置是由天线13、信号调理器14、模数转换器15、地闪雷电信号识别模型模块16、系统控制管理器17、辅助控制管理器18、外部存储器21、时钟20、通信接口22组成。其中,天线13的输入端接收电磁场辐射信号,其输出端与信号调理器14的输入端相连,信号调理器14的输出端与模数转换器15的输入端相连,模数转换器15的输出端与地闪雷电信号识别模型模块16的数据输入端相连;地闪雷电信号识别模型模块16的时钟输入端与时钟20的时钟输出端相连;地闪雷电信号识别模型模块16通过数据和地址总线19分别与系统控制管理器17和辅助控制管理器18相连;地闪雷电信号识别模型模块16的控制输入输出端与系统控制管理器17的控制输入输出端相连;系统控制管理器17通过数据和地址总线19与辅助控制管理器18相连,并且通过数据和地址总线19与外部存储器21相连;系统控制管理器17的通信输入输出口分别与通信接口 22的内侧输入输出口相连,通过通信接口 22外侧的输入输出口实现与外界通信网相连。

其中,天线13是一种微分天线,并具有较宽的频带响应,其中包括雷电信号所对应的低频/甚低频频段。天线13将所获取的信号Sl送入信号调理器14。信号调理器14内部包含有多级模拟信号处理器,分别对信号S1进行放大、低通滤波、积分、高通滤波和差分调制,并将信号Sl调整到适合的动态范围内。信号调理器14将已调理的信号S2送入模数转换器15内。模数转换器15可以以高速采样率和高精度方式对信号S2进行数字化编码,转换为数字信号S3。需要说明的是,本发明的装置中,均采用多路通道并行方式,可同时实现多路信号同步输入输出。信号S3是多路高精度并行数字信号。信号S3被送入地闪雷电信号识别模型模块16。地闪雷电信号识别模型模块16就是本发明的方法中所述的识别模型的实现载体,其建立有多组信号识别条件和辅助信号处理器,并结合时钟20的时钟信号,在识别平台内建立有统一的时间标尺,所输入信号在这里将以流水线方式,并根据所设定的判别条件和方法逐一进行处理。识别平台内建有专门的波形记录缓存区FIFO,可同步记录波形数据。在识别出有效数据后,地闪雷电信号识别模型模块16将给出确认中断信号至系统控制管理器17。随后系统控制管理器17将通过数据和地址总线19读取信号特征数据,并且控制辅助控制管理器18读取信号波形数据至外部缓存器21,系统控制管理器17在对信号特征数据处理后也将处理后的数据写入外部缓存器21。随后,系统控制管理器17将处理后的数据和波形数据从外部缓存器21中读出并通过通信接口 22将数据送出。

如图4所示,是根据上述装置原理设计实现的装置的结构示意图,其中,天线13包括南北磁场天线NS、东西磁场天线EW和电场天线EO三种接收天线,这三种天线分别接收雷电信号对应的特征分量并分别输出以上三路信号。接收天线与高精度前置放大器23相连。高精度前置放大器23具有三路运算放大器,高精度前置放大器23对接收天线输出的三路微弱信号进行放大处理,高精度前置放大器23所选用的运算放大器为高精度极低噪声高速运放,其对经过它放大的信号影响极小,并能确保输入信号的良好频率响应特性。高精度前置放大器23的输出端与低通滤波器24的输入端相连,低通滤波器24具有三路低通滤波器,低通滤波器24设定为特定的频率范围,以去除信号中高频分量,以提高信号的信噪比。,低通滤波器24的输出端与积分器25的输入端相连。积分器25具有三路积分器,积分器25可将接收天线输入的微分信号还原为真实信号。积分器25的输出端与高通滤波器26的输入端相连,高通滤波器26具有三路高通滤波器,高通滤波器26设定为特定频率范围,以去除信号中不必要的低频分量,例如工频信号和低频噪声,以提高信号的信噪比。需要表明的是,上述滤波及积分器件所用的运算放大器均为高精度极低噪声高速运算放大器,其中积分运算放大器也是高输入阻抗和低偏执电流的运算放大器。高通滤波器26的输出端与差分变换器27的输入端相连,差分变换器27具有三路差分变换器,差分变换器27将单端的输入信号转换为差分信号,以提高信号的抗千扰能力,方便实现高精度采样。经过上述处理后的输入信号将被限定在一定的动态范围内,以满足模数转换器15 (简称ADC)输入范围的要求。差分变换器27的输出端与ADC的输入端相连,ADC具有三组变换器,本发明中采用的是ADC是高采样率的12位精度的ADC。 ADC将输入信号转换为数字信号后,便将三路12位数字信号并行送入地闪雷电信号识别模型模块16,地闪雷电信号识别模型模块16是基于FPGA建立的,并且地闪雷电信号识别模型以及PPGA内部功能的实现是有VERIL0GA硬件描述语言构建并实现的。

如图4所示,地闪雷电信号识别模型模块16内部主要包括:波形预处理器28、地闪雷电信号识别模型29、雷电信号波形先入先出缓存器31 (简称FIF0)、波形编码器30、波形特征值寄存器阵列32、时钟电路33、时标信号发生器34、数据接口电路35。在这里,地闪雷电信号识别模型模块16主要功能是快速准确识别输入信号类型,并对被确定为地闪雷电信号的数据进行数据计算,并记录对应雷电信号的波形数据。

需要进一步说明的是,在本发明中,FPGA的工作模式为被动工作模式,利用了雷电探测的远程智能升级装置和方法。通过利用这-方法及装置,可实现地闪雷电信号识别模型模块29的远程智能升级,可根据应用结果和使用需要,对FPGA进行调整或改进,从而可进一步提高对地闪雷电信号的识别率。

FPGA的工作方法(流程)是,ADC输出的三路数字信号在进入FPGA内后将被分为两组。其中一组保持原有三路数字信号并进入波形预处理器28,波形预处理器28对输入信号进行扫描,判断信号趋势,其处理时间窗口长度是根据识别条件而设定的,并根据识别模型需要的特征条件对处于时间窗口内的信号进行特征标记或记录。时间窗口是连续的对信号进行选取的。经过预处理的信号随即进入地闪雷电信号识别模型29中,在29内部,是根据地闪雷电信号判别方法设计的硬件识别逻辑,其结合28所记录的数据对输入信号进行综合实时判别, 一旦输入信号满足设定,识别模型便将所计算的信号数据写入特征值寄存器阵列35中,并给出确认信号SIOO。需要说明的是,上述FPGA内处理过程是采用流水线方式进行的,具有三路流水线结构,电场信号和两路磁场信号同步处理,,并相互关联。

另一组是将原有三路数字信号抽样后,送入波形编码器30。所抽样的数字信号依然能够完整描述输入信号的波形,即其抽样率依然满足采样定理的要求。在波形编码器30内,三路数字信号被进行串行分组并进行数字编码,数字编码主要包括类型编码和时间编码,以保证后期波形数据能够容易区分和识别。经过编码后的串行波形数据进入FIFO中,己实现地闪雷电信号波形记录。FIFO设计有足够的存储深度,以记录使用者所关心的数据长度。如图4所示,时钟电路33是为整个FPGA和数据采样提供统一的时钟基准的。时钟20是由全球卫星定位系统37,简称GPS,和高稳定温补晶振36组成,GPS提供秒脉冲时钟,晶振提供10MHz时钟。时钟电路33为预处理器28、地闪雷电信号识别模型29、波形编码器30、时标信号发生器34提供高精度时钟信号,以保证模数变换和信号处理的同步性。时标信号发生器34根据时钟电路33的时钟信号为波形编码器30提供时间标签数据。需要进一歩说明的是,为保证数据进程的同步性,在每个通道内均设有延迟器,延迟器可根据需要调整时间参数。

如图4所示, 一旦地闪雷电信号识别模型29给出确认信号S100中断系统控制管理器17,本发明中系统控制管理器17是采用DSP处理器,DSP在收到S100中断后将立即响应中断信号,通过并行数据总线和FPGA内部数据接口电路35读取计算数据并存储于外部存储器21内。同时DSP将控制辅助控制管理器18,以DMA方式,通过并行数据总线和数据接口电路35迅速读取FIF0内对应的雷电信号波形数据并写入高速大容量存储器21内。本发明中,辅助控制管理器是利用CPLD建立的,外部存储器是利用SRAM建立的。随后,DSP将读取SRAM内的存储数据并进行数据计算,得出特征数据,包括能够确定信号类型和雷电活动类型的特征数据,以及其他用户所关心的特征数据,以及对应时间数据。这些数据将被DSP进行数据打包及编码处理,并通过通信接口22,发出数据文件。

本发明中,DSP是负责全局控制管理的,在优先响应地闪雷电信号之外,DSP内部还建立有实时监控系统和人机对话窗口,可根据上位机命令要求,发送己定义好的各种数据和系统状态数据。

如图5所示,其为本发明所采用的优选实施方案。是在上述方案基础上采用了自检系统38和大容量非易失性存储器42。其中,自检系统38是由DSP,高速数模转换器39(简称DAC)、自检信号发生器40、电子开关41组成。DAC根据DSP的输入信号,产生对应的模拟量信号给自检信号发生器40,自检信号发生器40将模拟量转换为高驱动能力的模拟信号后,通过电子开关41,将模拟信号送入天线检测入口。通过DSP的控制,自检系统38可产生模拟雷电信号,包括电场和两路磁场信号,用于数字式雷电探测装置的系统校准和功能测试,可增强数字式雷电探测装置的环境适应能力和系统稳定性,并可根据自检状态使使用者了解其运行状态,以便采取处理措施。自检系统38具有可编程特性,可根据需要输出不同强度和方向角的模拟雷电信号。

图5中,大容量非易失性存储器42是一种非易失性存取器,通过DSP对其进行管理和数据读写。在数字式雷电探测装置独立运行或与外界通信中断时,特征数据和波形数据依然可以通过大容量非易失性存储器42进行数据保存,即使是失去电力供应呢,其依然能够长期保存,保证既有探测数据不会丢失。

Claims (10)

1、一种数字式雷电探测方法,包括使用接收地闪雷电放电时产生的低频/甚低频段的电磁辐射场信号,并用时间判别法、双极性测试法和同极性测试法建立雷电信号识别判据,其特征在于,步骤如下: 1)由天线感应接收地闪雷电放电时产生的低频/甚低频段的电磁辐射场信号,并产生对应的电检信号; 2)对上述电检信号进行调理; 3)将调理后的电检信号进行数字化处理,产生对应的数字信号; 4)对上述数字信号进行数字滤波; 5)建立统一的时间标尺; 6)结合雷电电磁辐射波形的传输特征,并用时间判别法、双极性测试法和同极性测试法建立雷电信号识别判据,构建数字化地闪雷电信号识别模型; 7)建立时间窗预处理区,记录在此时间窗内的数据峰值和极性,记录此峰值对应的时间点,获取输入的数字信号的发展趋势和对应的典型参数; 8)结合时间窗中的数据,用数字化地闪雷电信号识别模型对输入的数字信号进行参数计算及判定。 9)根据判定结果确定输入的数字信号类型及产生此输入的数字信号的雷电放电类型; 10)根据判定结果及输入的数字信号类型,计算并产生能够确定此输入的数字信号类型的多种特征数据和此输入的数字信号的参考时间数据; 11)对上述输入的数字信号的特征数据和参考时间数据以及此输入的数字信号对应的全波形数据进行编码存储; 12)利用通信通道传送已编码的数据。
2、 根据权利要求l所述的数字式雷电探测方法,其特征在于,构建数字化地闪雷电信号 识别模型的具体方法:根据地闪雷电电磁辐射波的特征,及其在传播过程中的变化特征确定雷电波形信号的上 升参考时间^ ,下降参考时间^ ,先导参考时间6,反向过冲参考时间^ ,再确定雷电波形信号 的参考阈值G,并且建立雷电波形信号主峰峰值A寄存器和极性寄存器,建立后续峰值寄存 器和极性寄存器,后续峰简称次峰,建立同极性次峰最大峰值比较器和最大峰值/72寄存器, 建立先导峰值A寄存器和极性寄存器,建立反向过冲峰值p4寄存器,建立上述峰值和极性的 相关比较关系,即A 〉G, P, 〉 P2 , P, 〉 A , I A I > I P4 I , P,极性=A极性,从而建立了基本的数字化地闪雷电信号识别模型;所输入的数字信号在满足上述所述的参考时间、相应的峰 值和极性关系后,可初步判定为地闪雷电信号。
3、 根据权利要求2所述的数字式雷电探测方法,其特征在于,整个地闪雷电信号识别模 型构建及信号处理过程是采用硬件描述语言VERIL0G程序;所述的参考时间、峰值和极性的 比较关系是可编程的,是可在使用过程中,根据使用者的需要进行灵活调整和进一步扩充的。
4、 根据权利要求l所述的数字式雷电探测方法,其特征在于,所述的时间窗、数字信号 的判别和计算处理是采用了并行流水线处理方法。
5、 根据权利要求l所述的数字式雷电探测方法,其特征在于,所述的特征数据计算和参 考时间数据计算是利用汇编语言和计算机程序语言C语言实现的;数字全波形编码存储采用 高速直接读取方法进行。
6、 数字式雷电探测装置,包括天线、信号调理器,其特征在于,由天线(13),信号调 理器(14),模数转换器(15),地闪雷电信号识别模型模块(16),系统控制管理器(17), 辅助控制管理器(18),通信接口 (22),外部存储器(21)及时钟(20)组成;系统控制管 理器(17)采用的是数字信号处理器,简称DSP;辅助控制管理器(18)采用复杂可编程逻 辑器件,简称CPLD;外部存储器(21)采用的是大容量并行高速静态存储器,简称SRAM;天 线(13)设有接收雷电电磁场辐射电磁波信号的输入端,天线(13)的输出端与信号调理器(14)的输入端相连,信号调理器(14)的输出端与模数转换器(15)的输入端相连,模数 转换器(15)的输出端与地闪雷电信号识别模型(29)模块(16)的数据输入端相连;模数 转换器(15)的时钟输入端与地闪雷电信号识别模型(29)模块(16)的时钟输出端相连; 地闪雷电信号识别模型(29)模块(16)的时钟输入端与时钟(20)的输出端相连;地闪雷 电信号识别模型(29)模块(16)通过数据和地址总线分别与系统控制管理器(17)和辅助 控制管理器(18)相连;系统控制管理器(17)通过数据和地址总线与辅助控制管理器(18) 相连,并且通过数据和地址总线与外部存储器(21)相连;地闪雷电信号识别模型(29)模 块(16)、系统控制管理器(17)、辅助控制管理器(18)和外部存储器(21)之间的控制输 入输出端分别通过各自的控制总线相连;系统控制管理器(17)的通信输入输出口分别与通 信接口 (22)的内侧输入输出口相连;通信接口 (22)外侧的输入输出口与外界通信网相连。
7、 根据权利要求6所述的数字式雷电探测装置,其特征在于,所述的地闪雷电信号识别 模型模块(16)采用的是现场可编程门阵列器件,简称FPGA; FPGA采用被动配置工作模式; 内部连接均采用的是并行同步总线方式连接;FPGA内部逻辑区是由波形预处理器(28)、地 闪雷电信号识别模型(29)、雷电信号波形先入先出缓存器(31)简称FIF0、波形编码器(30)、波形特征值寄存器阵列(32)、时钟电路(33)、时标信号发生器(34)和数据接口电路(35)组成;波形预处理器(28)的输入端与FPGA的数据输入端相连;波形预处理器(28)的输出端与地闪雷电信号识别模型(29)的输入端相连;地闪雷电信号识别模型(29)的输出端与波形特征值寄存器阵列(32)的输入端相连;波形特征值寄存器阵列(32)的输出端与数据接口电路(35)的输入端相连;波形编码器(30)的输入端与FPGA的数据输入端相连;波形编码器(30)的输出端与FIFO的输入端相连;FIFO的输出端与数据接口的输入端相连;数据接口的输出端通过FPGA上的地址与数据总线与外界相连:时钟(20)的输出端与FPGA的时钟输入端相连;时钟电路(33)输出端分别与FPGA的时钟输出端、波形预处理器(28)、地闪雷电信号识别模型(29)、波形编码器(30)、时标信号发生器(34)的时钟输入端相连;时标信号发生器(34)的输出端与波形编码器(30)的时标信号输入端相连。
8、 根据权利要求6所述的数字式雷电探测装置,其特征在于:还包括大容量非易失性存储器(42)和系统控制管理器(17)控制的自检系统(38);大容量非易失性存储器(42)是一种高速并行存储器;自检系统(38)是由高速数模转换器(39),简称DAC、自检信号发生器(40)、电子开关(41)及系统控制管理器(17)组成;系统控制管理器(17)的自检信号输出端与DAC的输入端相连;DAC的输入端与自检信号发生器(40)的输入端相连;自检信号发生器(40)的输出端与电子开关(41)的输入端相连;电子开关(41>的输出端输出与天线(13)的模拟信号输入端相连。
9、 根掘权利要求6所述的数字式雷电探测装置,其特征在于:所述的信号调理器(14)是由前置放大器(23)、低通滤波器(24)、积分器(25)、高通滤波器(26)和差分变换器(27)组成;前置放大器(23)的输入端与信号调理器(14)的信号输入端相连;前置放大器(23)的输出端与低通滤波器(24)的输入端相连;低通滤波器(24)的输出端与积分器(25)的输入端相连;积分器(25)的输出端与高通滤波器(26)的输入端相连;高通滤波器(26)的输出端与差分变换器(27)的输入端相连;差分变换器(27)的输出端入信号调理器(14)的输出端相连;信号调理器(14)中所采用的运算放大器均采用超低噪声运算放大器,信号调理器(14)输出的信号为差分信号。
10、 根据权利要求6所述的数字式雷电探测装置,其特征在于:所述的时钟(20)由高稳定的、精度为士O. lppm的温补晶振(36)和全球卫星定位系统(37)组成;并建立有时钟误差修正的控制器。
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