CN101833048A - 光电信号符合的闪电监测方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光电信号符合的闪电监测方法及其装置。本发明的方法是，采用多站探测的方式，同步采集闪电发生时辐射的光信号和甚低频电磁信号，同时记录闪电的时间和探测站点位置。闪电数据经网络发送至系统主机。系统主机先进行闪电识别，滤除干扰信号；再进行定位，计算闪电的时间和位置；最后建立闪电信息数据库，提供查询、统计功能。本发明的装置包括若干探头和一个系统主机。探头包括光信号放大模块、电磁信号放大模块、GPS模块、AD模块和DSP模块；系统主机包括硬件和软件。本方法及其装置可以同步记录闪电的光、电磁信号，通过光电信号的同步分析，有利于过滤干扰信号，提高闪电识别和定位的精度。所述监测步骤简单，定位准确。
Description
技术领域
本发明涉及闪电监测领域，尤其涉及一种光电信号符合的闪电监测方法及其装置。
背景技术
闪电是自然大气中的超强、瞬间放电现象，是联合国“国际减灾十年”公布的最严重的十种自然灾害之一，一直对人类的生产生活构成严重危害。经常受到闪电影响的领域包括建筑、电网、通讯、林业、交通、军事设置等，尤其现在广泛使用的微电子技术、信息网络、无线通信设备，遭受闪击并造成重大损失的可能性愈来愈大。因此，如何准确地监测和预报闪电，已日益成为人类急需解决的问题。
闪电是发生在自然大气中的瞬间放电过程，同时伴有声、光、电磁等信号的出现。当前，最适合大范围探测的信号是电磁脉冲信号，而利用声学、光学进行闪电监测的用途有限。因此，当前的闪电探测设备主要通过探测闪电回击辐射的电磁脉冲信号来遥测闪电回击放电参数、确定闪电的位置(一般为二维位置，用经纬度表示)和时间。单纯地探测电磁信号，难以对闪电进行全面准确的描述。这不利对闪电信号与噪声信号的辨别，也不利于对闪电物理机制的研究。而采用光电信号符合的监测方法，同步记录闪电发生时辐射的光信号和电磁信号，有利于干扰信号的过滤，降低误报率，提高闪电识别的精度，进而可以提高闪电定位的精度，还可以为研究闪电的放电机理以及闪电发展的物理过程提供更为充足准确的数据。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提出一种光电信号符合的闪电监测方法及其装置。实现地闪闪电光信号和电磁信号的同步采集，完成闪电的高精度识别与定位。
光电信号符合的闪电监测方法包括如下步骤：
1)由光电池接收地闪放电时辐射的光信号，信号经放大、滤波后被传输至数据采集模块；
2)由天线感应接收地闪放电时辐射的甚低频段电磁脉冲信号，信号经放大、滤波后被传输至数据采集模块；
3)由GPS模块采集地闪放电时的精确时间信息和探测站点的经度、纬度和高度空间位置信息，信息被传输至数据采集模块；
4)闪电的光信号和电磁信号分别经过AD模块后成为数字化的电信号，DSP模块记录这些电信号，DSP模块同时记录GPS模块提供的时间和位置信息；
5)DSP模块将闪电数据通过网络发送至系统主机；
6)系统主机通过网络接收探头发送的闪电数据；
7)系统主机通过光电信号的同步分析，完成闪电的识别，滤除干扰的噪声信号；
8)系统主机利用到达时间法对闪电进行定位，计算出闪电的时间和位置；
9)系统主机建立闪电信息数据库，将已定位的闪电数据加入数据库，同时提供查询、统计功能。
所述的步骤7)为：
对于同一闪电所辐射的光信号和电磁信号，其脉冲波形具有同步性，脉冲的发生时间、峰值到达时间、脉冲个数、脉冲上升沿和脉冲宽度等特征具有相似性，因此，闪电识别的规则如下：
1)闪电光信号和电磁信号都应具有明显的上升沿，采用电磁信号的上升沿作为采集的触发信号，当闪电光信号的波形不存在明显的上升沿时，判定该信号是噪声；
2)闪电光信号脉冲的发生时间和峰值到达时间都要滞后于电磁信号，并且脉冲上升沿和宽度也较电磁信号宽，如果某一闪电信号的光信号和电磁信号不符合上述规则，可以判定该信号是噪声。
光电信号符合的闪电监测装置包括系统主机、探头1、探头2、...、探头n-1和探头n；探头1、探头2、...、探头n-1、探头n分别与系统主机相连；所述的探头包括光信号放大模块、电磁信号放大模块、GPS模块和数据采集模块，数据采集模块包括AD模块和DSP模块；光信号放大模块和电磁信号放大模块分别与AD模块相连，AD模块再与DSP模块相连，GPS模块与DSP模块相连；所述的光信号放大模块的电路为：光电池与对数放大器、带通滤波器1依次相连，所述的电磁信号放大模块的电路为：接收天线与前置放大器、带通滤波器2依次相连。
所述的光电池采用硅光电池；所述的接收天线采用长度80～100cm的全向鞭状天线；所述的GPS模块采用GS-87智慧型卫星接收模组；所述的AD模块采用AD7276；所述的DSP模块采用TMS320DM，外扩4M*32bit的SDRAM和8bit的FLASH。
所述的对数放大器的电路为：对数放大器U8的15号引脚与连接器J7的1号引脚、电容器C12的一端相连，连接器J7的2号引脚与对数放大器U8的10号引脚、电容器E5的一端、电容器C14的一端和正5伏的电压源相连，电容器C12的另一端经电阻R16接地，对数放大器U8的13号引脚和14号引脚经电容器C18、电阻R30接地，电容器C14的另一端与电容器E5的另一端接地，对数放大器U8的2号引脚经电容器C19接地，对数放大器U8的11号引脚经电阻R31接地，对数放大器U8的3号引脚和4号引脚接地，对数放大器U8的5号引脚与6号引脚相连，对数放大器U8的12号引脚和16号引脚经电容器C20接地，对数放大器U8的7号引脚经电阻R33接地，对数放大器U8的8号引脚经电阻R32与对数放大器U8的7号引脚相连。
所述的带通滤波器1的电路为：运算放大器U9的正相输入端与电阻RLN2的一端和电容器CLN2的一端相连，电阻RLN2的另一端与电阻R34的一端、电阻R36的一端和电容器CHN2的一端相连，电容器CLN2的另一端与电阻RLM2的一端和电容器CLM2的一端相连，电阻RLM2的另一端和与运算放大器U9的输出端、电阻RHM2的一端和电阻R35的一端相连，电阻R35的另一端与运算放大器U9的反相输入端和电阻R34的另一端相连，运算放大器U10的正相输入端与电阻RHN2的一端和电容器CHN2的另一端相连，电阻RHN2的另一端与电阻RHM2的另一端和电容器CHM2的一端相连，电容器CHM2的另一端与运算放大器U10的输出端和电阻R37的一端相连，电阻R37的另一端与电阻R36的另一端和运算放大器U10的反相输入端相连，运算放大器U9的负极接地，运算放大器U9的正极与正5伏的电压源和电容器C21的一端相连，电容器C21的另一端接地，运算放大器U10的负极接地，运算放大器U10的正极与正5伏的电压源和电容器C22的一端相连，电容器C22的另一端接地。
所述的前置放大器的电路为：运算放大器U3的正相输入端与电容器CLN1的一端和电阻RLN1的一端相连，电容器CLN1的一端与电阻R17的一端相连，电阻RLN1的另一端与电阻RLM1的一端和二极管D1正极相连，二极管D1的负极接地，电阻RLM1的另一端与连接器J6的1号引脚相连，连接器J6的2号引脚接地，运算放大器U3的反相输入端与电阻R17的另一端和电阻R18的一端相连，电阻R18的另一端与运算放大器U3的输出端相连，运算放大器U3的负极接地，运算放大器U3的正极经与正5伏的电压源和电容器C13的一端相连，电容器C13的另一端接地。
所述的带通滤波器2的电路为：运算放大器U4的正相输入端与电容器CHN1的一端和电阻RHN1的一端相连，电容器CHN1的另一端与电阻RHM1的一端相连，电阻RHN1的另一端与电阻R19的一端、电阻R7的一端、电阻R22的一端和电容器C16的一端相连，电阻RHM1的另一端与运算放大器U4的输出端、电阻R20的一端和电阻R21的一端相连，运算放大器U4的反相输入端与电阻R19的另一端和电阻R20的另一端相连，运算放大器U5的反相输入端与电阻R7的另一端、电容器C8的一端和电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端与滑动变阻器W1的一端相连，滑动变阻器W1的另一端与电容器C8的另一端、滑动变阻器W1的滑动端和运算放大器U5的输出端相连，运算放大器U5的正相输入端与电阻R21的另一端、电容器C16的另一端和电阻R22的另一端相连，运算放大器U4的负极接地，运算放大器U4的正极与正5伏的电压源和电容器C15的一端相连，电容器C15的另一端接地，运算放大器U5的负极接地，运算放大器U5的正极与正5伏的电压源和电容器C7的一端相连，电容器C7的另一端接地。
本发明的有益效果如下：
本发明构思新颖、设计合理、性能稳定，提供了一种基于光电信号符合的闪电监测方法及其装置。同步采集并记录闪电发生时辐射的光信号和电磁信号，而通过对光电信号的同步分析，有利于干扰信号的过滤，降低误报率，提高闪电识别的精度，进而可以提高闪电定位的精度，还可以为研究闪电的放电机理以及闪电发展的物理过程提供更为充足准确的数据。采用DSP对数据进行采集和记录，具有处理速度快的特点。采用GPS系统，可以获得闪电的精确时间信号和探测站点的经度、纬度和高度空间位置信息，可以利用时间差法实现闪电的三维定位，具有定位精度高的特点。
附图说明
图1是本发明的实现方法框图；
图2是本发明的探头结构框图；
图3是本发明的光信号放大模块设计图；
图4是本发明的电磁信号放大模块设计图；
图5是本发明的对数放大器电路图；
图6是本发明的带通滤波器1电路图；
图7是本发明的前置放大器电路图；
图8是本发明的带通滤波器2电路图。
具体实施方式
下面，结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的描述。
光电信号符合的闪电监测方法包括如下步骤：
1)由光电池接收地闪放电时辐射的光信号，信号经放大、滤波后被传输至数据采集模块；
2)由天线感应接收地闪放电时辐射的甚低频段电磁脉冲信号，信号经放大、滤波后被传输至数据采集模块；
3)由GPS模块采集地闪放电时的精确时间信息和探测站点的经度、纬度和高度空间位置信息，信息被传输至数据采集模块；
4)闪电的光信号和电磁信号分别经过AD模块后成为数字化的电信号，DSP模块记录这些电信号，DSP模块同时记录GPS模块提供的时间和位置信息；
5)DSP模块将闪电数据通过网络发送至系统主机；
6)系统主机通过网络接收探头发送的闪电数据；
7)系统主机通过光电信号的同步分析，完成闪电的识别，滤除干扰的噪声信号；
8)系统主机利用到达时间法对闪电进行定位，计算出闪电的时间和位置；
9)系统主机建立闪电信息数据库，将已定位的闪电数据加入数据库，同时提供查询、统计功能。
所述的步骤7)为：
对于同一闪电所辐射的光信号和电磁信号，其脉冲波形具有同步性，脉冲的发生时间、峰值到达时间、脉冲个数、脉冲上升沿和脉冲宽度等特征具有相似性，因此，闪电识别的规则如下：
1)闪电光信号和电磁信号都应具有明显的上升沿，采用电磁信号的上升沿作为采集的触发信号，当闪电光信号的波形不存在明显的上升沿时，判定该信号是噪声；
2)闪电光信号脉冲的发生时间和峰值到达时间都要滞后于电磁信号，并且脉冲上升沿和宽度也较电磁信号宽，如果某一闪电信号的光信号和电磁信号不符合上述规则，可以判定该信号是噪声。
如图1～4所示，光电信号符合的闪电监测装置包括系统主机、探头1、探头2、...、探头n-1和探头n；探头1、探头2、...、探头n-1、探头n分别与系统主机相连；所述的探头包括光信号放大模块、电磁信号放大模块、GPS模块和数据采集模块，数据采集模块包括AD模块和DSP模块；光信号放大模块和电磁信号放大模块分别与AD模块相连，AD模块再与DSP模块相连，GPS模块与DSP模块相连；所述的光信号放大模块的电路为：光电池与对数放大器、带通滤波器1依次相连，所述的电磁信号放大模块的电路为：接收天线与前置放大器、带通滤波器2依次相连；
光电池用来采集闪电发生时辐射的光信号，本装置中的光电池采用滨松公司的S7479硅光电池，其平均响应率为0.72A/W，光敏面积为25mm2，输入信号为10-2W/m2时，信号输出为0.18μA；
接收天线用来接收闪电发生时辐射的甚低频段电磁信号，本装置中的接收天线采用长度约80～100cm的全向鞭状天线，最后经标定确定其天线系数；
GPS用来采集闪电发生的时间信息和探测站点所在位置的空间坐标信息，本装置中GPS模块采用GS-87智慧型卫星接收模组；
AD模块负责将闪电的光信号和电磁信号分别转化为数字化的电信号，再将光信号和电磁信号对应的数字化电信号传输至DSP模块；本装置中的AD模块采用AD公司的AD7276；
DSP模块负责接收AD发送的光信号和电磁信号所对应的数字化电信号，并进行记录，同时记录GPS提供的时间和位置信息，最后将数据经网络传输至系统主机；本装置中的DSP模块采用TI公司的TMS320DM，外扩4M*32bit的SDRAM和8bit的FLASH，同时具有SD/MMC接口，10/100M自适应以太网接口，两路标准RS232串口通讯接口。
如图5所示，对数放大器的电路为：对数放大器U8的15号引脚与连接器J7的1号引脚、电容器C12的一端相连，连接器J7的2号引脚与对数放大器U8的10号引脚、电容器E5的一端、电容器C14的一端和正5伏的电压源相连，电容器C12的另一端经电阻R16接地，对数放大器U8的13号引脚和14号引脚经电容器C18、电阻R30接地，电容器C14的另一端与电容器E5的另一端接地，对数放大器U8的2号引脚经电容器C19接地，对数放大器U8的11号引脚经电阻R31接地，对数放大器U8的3号引脚和4号引脚接地，对数放大器U8的5号引脚与6号引脚相连，对数放大器U8的12号引脚和16号引脚经电容器C20接地，对数放大器U8的7号引脚经电阻R33接地，对数放大器U8的8号引脚经电阻R32与对数放大器U8的7号引脚相连。
如图6所示，带通滤波器1的电路为：运算放大器U9的正相输入端与电阻RLN2的一端和电容器CLN2的一端相连，电阻RLN2的另一端与电阻R34的一端、电阻R36的一端和电容器CHN2的一端相连，电容器CLN2的另一端与电阻RLM2的一端和电容器CLM2的一端相连，电阻RLM2的另一端和与运算放大器U9的输出端、电阻RHM2的一端和电阻R35的一端相连，电阻R35的另一端与运算放大器U9的反相输入端和电阻R34的另一端相连，运算放大器U10的正相输入端与电阻RHN2的一端和电容器CHN2的另一端相连，电阻RHN2的另一端与电阻RHM2的另一端和电容器CHM2的一端相连，电容器CHM2的另一端与运算放大器U10的输出端和电阻R37的一端相连，电阻R37的另一端与电阻R36的另一端和运算放大器U10的反相输入端相连，运算放大器U9的负极接地，运算放大器U9的正极与正5伏的电压源和电容器C21的一端相连，电容器C21的另一端接地，运算放大器U10的负极接地，运算放大器U10的正极与正5伏的电压源和电容器C22的一端相连，电容器C22的另一端接地。
如图7所示，前置放大器的电路为：运算放大器U3的正相输入端与电容器CLN1的一端和电阻RLN1的一端相连，电容器CLN1的一端与电阻R17的一端相连，电阻RLN1的另一端与电阻RLM1的一端和二极管D1正极相连，二极管D1的负极接地，电阻RLM1的另一端与连接器J6的1号引脚相连，连接器J6的2号引脚接地，运算放大器U3的反相输入端与电阻R17的另一端和电阻R18的一端相连，电阻R18的另一端与运算放大器U3的输出端相连，运算放大器U3的负极接地，运算放大器U3的正极经与正5伏的电压源和电容器C13的一端相连，电容器C13的另一端接地。
如图8所示，带通滤波器2的电路为：运算放大器U4的正相输入端与电容器CHN1的一端和电阻RHN1的一端相连，电容器CHN1的另一端与电阻RHM1的一端相连，电阻RHN1的另一端与电阻R19的一端、电阻R7的一端、电阻R22的一端和电容器C16的一端相连，电阻RHM1的另一端与运算放大器U4的输出端、电阻R20的一端和电阻R21的一端相连，运算放大器U4的反相输入端与电阻R19的另一端和电阻R20的另一端相连，运算放大器U5的反相输入端与电阻R7的另一端、电容器C8的一端和电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端与滑动变阻器W1的一端相连，滑动变阻器W1的另一端与电容器C8的另一端、滑动变阻器W1的滑动端和运算放大器U5的输出端相连，运算放大器U5的正相输入端与电阻R21的另一端、电容器C16的另一端和电阻R22的另一端相连，运算放大器U4的负极接地，运算放大器U4的正极与正5伏的电压源和电容器C15的一端相连，电容器C15的另一端接地，运算放大器U5的负极接地，运算放大器U5的正极与正5伏的电压源和电容器C7的一端相连，电容器C7的另一端接地。
Claims (8)
1.一种光电信号符合的闪电监测方法，其特征在于包括如下步骤：
1)由光电池接收地闪放电时辐射的光信号，信号经放大、滤波后被传输至数据采集模块；
2)由天线感应接收地闪放电时辐射的甚低频段电磁脉冲信号，信号经放大、滤波后被传输至数据采集模块；
3)由GPS模块采集地闪放电时的精确时间信息和探测站点的经度、纬度和高度空间位置信息，信息被传输至数据采集模块；
4)闪电的光信号和电磁信号分别经过AD模块后转化成为数字化的电信号，DSP模块记录这些电信号，DSP模块同时记录GPS模块提供的时间和位置信息；
5)DSP模块通过网络将闪电数据发送至系统主机；
6)系统主机通过网络接收探头发送的闪电数据；
7)系统主机通过光电信号的同步分析，完成闪电的识别，滤除干扰的噪声信号；
8)系统主机利用到达时间法对闪电进行定位，计算出闪电的时间和位置；
9)系统主机建立闪电信息数据库，将已定位的闪电数据加入数据库，同时提供查询、统计功能。
2.如权利要求1所述的一种光电信号符合的闪电监测方法，其特征在于所述的步骤7)为：
对于同一闪电所辐射的光信号和电磁信号，其脉冲波形具有同步性，脉冲的发生时间、峰值到达时间、脉冲个数、脉冲上升沿和脉冲宽度等特征具有相似性，因此，闪电识别的规则如下：
1)闪电光信号和电磁信号都应具有明显的上升沿，采用电磁信号的上升沿作为采集的触发信号，当闪电光信号的波形不存在明显的上升沿时，判定该信号是噪声；
2)闪电光信号脉冲的发生时间和峰值到达时间都要滞后于电磁信号，并且脉冲上升沿和宽度也较电磁信号宽，如果某一闪电信号的光信号和电磁信号不符合上述规则，可以判定该信号是噪声。
3.一种光电信号符合的闪电监测装置，其特征在于包括系统主机、探头1、探头2、…、探头n-1和探头n；探头1、探头2、…、探头n-1、探头n分别与系统主机相连；所述的探头包括光信号放大模块、电磁信号放大模块、GPS模块和数据采集模块，数据采集模块包括AD模块和DSP模块；光信号放大模块和电磁信号放大模块分别与AD模块相连，AD模块再与DSP模块相连，GPS模块与DSP模块相连；所述的光信号放大模块的电路为：光电池与对数放大器、带通滤波器1依次相连；所述的电磁信号放大模块的电路为：接收天线与前置放大器、带通滤波器2依次相连。
4.如权利要求3所述的一种光电信号符合的闪电监测装置，其特征在于所述的光电池采用硅光电池，所述的接收天线采用长度80～100cm的全向鞭状天线，所述的GPS模块采用GS-87智慧型卫星接收模组，所述的AD模块采用AD7276，所述的DSP模块采用TMS320DM，外扩4M*32bit的SDRAM和8bit的FLASH。
5.如权利要求3所述的一种光电信号符合的闪电监测装置，其特征在于所述的对数放大器的电路为：对数放大器U8的15号引脚与连接器J7的1号引脚、电容器C12的一端相连，连接器J7的2号引脚与对数放大器U8的10号引脚、电容器E5的一端、电容器C14的一端和正5伏的电压源相连，电容器C12的另一端经电阻R16接地，对数放大器U8的13号引脚和14号引脚经电容器C18、电阻R30接地，电容器C14的另一端与电容器E5的另一端接地，对数放大器U8的2号引脚经电容器C19接地，对数放大器U8的11号引脚经电阻R31接地，对数放大器U8的3号引脚和4号引脚接地，对数放大器U8的5号引脚与6号引脚相连，对数放大器U8的12号引脚和16号引脚经电容器C20接地，对数放大器U8的7号引脚经电阻R33接地，对数放大器U8的8号引脚经电阻R32与对数放大器U8的7号引脚相连。
6.如权利要求3所述的一种光电信号符合的闪电监测装置，其特征在于所述的带通滤波器1的电路为：运算放大器U9的正相输入端与电阻RLN2的一端和电容器CLN2的一端相连，电阻RLN2的另一端与电阻R34的一端、电阻R36的一端和电容器CHN2的一端相连，电容器CLN2的另一端与电阻RLM2的一端和电容器CLM2的一端相连，电阻RLM2的另一端和与运算放大器U9的输出端、电阻RHM2的一端和电阻R35的一端相连，电阻R35的另一端与运算放大器U9的反相输入端和电阻R34的另一端相连，运算放大器U10的正相输入端与电阻RHN2的一端和电容器CHN2的另一端相连，电阻RHN2的另一端与电阻RHM2的另一端和电容器CHM2的一端相连，电容器CHM2的另一端与运算放大器U10的输出端和电阻R37的一端相连，电阻R37的另一端与电阻R36的另一端和运算放大器U10的反相输入端相连，运算放大器U9的负极接地，运算放大器U9的正极与正5伏的电压源和电容器C21的一端相连，电容器C21的另一端接地，运算放大器U10的负极接地，运算放大器U10的正极与正5伏的电压源和电容器C22的一端相连，电容器C22的另一端接地。
7.如权利要求3所述的一种光电信号符合的闪电监测装置，其特征在于所述的前置放大器的电路为：运算放大器U3的正相输入端与电容器CLN1的一端和电阻RLN1的一端相连，电容器CLN1的一端与电阻R17的一端相连，电阻RLN1的另一端与电阻RLM1的一端和二极管D1正极相连，二极管D1的负极接地，电阻RLM1的另一端与连接器J6的1号引脚相连，连接器J6的2号引脚接地，运算放大器U3的反相输入端与电阻R17的另一端和电阻R18的一端相连，电阻R18的另一端与运算放大器U3的输出端相连，运算放大器U3的负极接地，运算放大器U3的正极经与正5伏的电压源和电容器C13的一端相连，电容器C13的另一端接地。
8.如权利要求3所述的一种光电信号符合的闪电监测装置，其特征在于所述的带通滤波器2的电路为：运算放大器U4的正相输入端与电容器CHN1的一端和电阻RHN1的一端相连，电容器CHN1的另一端与电阻RHM1的一端相连，电阻RHN1的另一端与电阻R19的一端、电阻R7的一端、电阻R22的一端和电容器C16的一端相连，电阻RHM1的另一端与运算放大器U4的输出端、电阻R20的一端和电阻R21的一端相连，运算放大器U4的反相输入端与电阻R19的另一端和电阻R20的另一端相连，运算放大器U5的反相输入端与电阻R7的另一端、电容器C8的一端和电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端与滑动变阻器W1的一端相连，滑动变阻器W1的另一端与电容器C8的另一端、滑动变阻器W1的滑动端和运算放大器U5的输出端相连，运算放大器U5的正相输入端与电阻R21的另一端、电容器C16的另一端和电阻R22的另一端相连，运算放大器U4的负极接地，运算放大器U4的正极与正5伏的电压源和电容器C15的一端相连，电容器C15的另一端接地，运算放大器U5的负极接地，运算放大器U5的正极与正5伏的电压源和电容器C7的一端相连，电容器C7的另一端接地。
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