CN102175929A - 雷电电磁信号集成化同步综合观测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种雷电电磁信号集成化同步综合观测系统，该系统包括：集成探测天线装置，探测雷电产生的电磁场变化、时间信息以及探测位置的空间信息，并将电磁场变化信号以及时空位置信息发送至接收机；接收机，接收所述集成探测天线装置发送的电磁场变化信号以及时空位置信息，并对其进行处理后发送至数据采集控制装置；数据采集控制装置，实时采集经所述接收机处理后的数据，进行波形显示并存储。本发明的雷电电磁信号集成化同步综合观测系统，能够对雷电的电场快慢变化信息和三维磁场信息进行同步综合探测，同时，集成化技术的应用使得所探测数据的时空一致性较高，该观测系统具有集成化、便携化的优势。
Description
技术领域
本发明涉及气象观测技术领域，尤其涉及一种雷电电磁信号集成化同步综合观测系统。
背景技术
闪电是我国最严重的自然灾害之一，由于其具有大电流、强电磁辐射等特性，常常引起森林火灾、油库爆炸、供电中断、通讯故障、设备破坏等事故，也容易造成人员伤亡。据保守估计，我国每年因雷灾造成的人员伤亡上千人，直接经济损失超过数亿元，而由此造成的间接经济损失和影响难以估计，雷电灾害已经波及到各行各业和生活的方方面面。
雷电电磁场特征能够反应闪电放电的内在机理，是阐明雷电电磁辐射对电子设备的作用机理、评价防护效能、研究雷电电磁脉冲防护措施的重要基础。雷电电磁信号探测一直是雷电研究的重要工具。但是，目前，雷电电磁场观测仪器自成体系，各个相互独立的磁场、电场探测设备使用、搬运、架设繁琐；同时，自成体系的探测系统由于探头位置空间以及数据采集系统的差异，其探测数据在空间、时间上并不严格对应，其时空一致性较差。因此，雷电电磁信号的集成综合探测已经成为科研业务的迫切需求。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明所要解决的技术问题是：提供一种雷电电磁信号集成同步综合观测系统，以实现雷电电磁信号的高速、同步采集。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明提供了一种雷电电磁信号集成化同步综合观测系统，该系统包括：集成探测天线装置，探测雷电产生的电磁场变化、时间信息以及探测位置的空间信息，并将电磁场变化信号以及时空位置信息发送至接收机；接收机，接收所述集成探测天线装置发送的电磁场变化信号以及时空位置信息，并对其进行处理后发送至数据采集控制装置；数据采集控制装置，实时采集经所述接收机处理后的数据，进行波形显示并存储。
其中，该系统还包括：支撑防护装置，支撑并将所述集成探测天线装置及所述接收机安装在其内，或仅支撑并将所述集成探测天线装置安装在其内。
其中，所述集成探测天线装置进一步包括：电场变化天线，探测雷电产生的电场变化，并将电场变化信号发送至所述接收机；三维磁天线，探测雷电产生的磁场变化，并将磁场变化信号发送至所述接收机；GPS天线，将时空位置信息发送至接收机。
其中，所述接收机进一步包括：电场变化接收机，与所述电场变化天线相连，接收所述电场变化天线发送的电场变化信号，并对其进行处理后发送至数据采集控制装置；磁场变化接收机，与所述三维磁天线相连，接收所述三维磁天线发送的磁场变化信号，并对其进行处理后发送至数据采集控制装置；GPS接收机，与所述GPS天线相连，接收所述GPS天线发送的时空位置信息，并将其发送至数据采集控制装置。
其中，所述电场变化天线进一步包括电场快变化天线以及电场慢变化天线，所述电场快变化天线以及所述电场慢变化天线分别为两块金属平板电容天线，且通过支撑体构成同一平板，二者之间设置绝缘体；所述电场变化接收机进一步包括：与所述电场快变化天线相连的电场快变化接收机，以及与所述电场慢变化天线相连的电场慢变化接收机。
其中，所述三维磁天线由第一垂直正交磁环、第二垂直正交磁环、以及水平磁环构成三维笼状结构，三者互相垂直正交，且均由非磁性金属屏蔽体以及缠绕在骨架上的金属导线线圈构成。
其中，所述数据采集控制装置为工控机，其进一步包括：测量控制器，控制采样长度、采样率、触发方式、触发阈值、触发通道选择、显示方式、以及存储位置；数据采集卡，通过传输线与所述电场变化接收机以及磁场变化接收机相连；串口，与所述GPS接收机相连；存储器，存储所述数据采集卡采集到的经所述接收机处理后的数据；显示器，显示所述数据采集卡采集到的经所述接收机处理后的数据的波形。
其中，所述支撑防护装置进一步包括：玻璃钢防护罩，其底面的支撑板上固定接收机电路仓室，所述接收机设置在所述接收机电路仓室内，所述三维磁天线固定于所述接收机电路仓室上顶盖上，所述电场变化天线设置于所述玻璃钢防护罩内部顶端；支撑立柱，固定于所述玻璃钢防护罩下，所述传输线设置在所述支撑立柱内，所述支撑立柱上还设置有供电装置，与所述接收机相连；支撑底座，固定于所述支撑立柱下。
其中，所述接收机固定在所述工控机的PCI插槽中；所述支撑防护装置进一步包括：玻璃钢防护罩，其底面的支撑板上固定所述三维磁天线，所述电场变化天线设置于所述玻璃钢防护罩内部顶端；支撑立柱，固定于所述玻璃钢防护罩下，所述传输线设置在所述支撑立柱内，所述支撑立柱上还设置有供电装置，与所述接收机相连；支撑底座，固定于所述支撑立柱下。
其中，所述电场快变化接收机的时间常数为ms量级，或小于1ms，带宽为200Hz-5MHz；所述电场慢变化接收机的时间常数为s量级，带宽为0.1Hz-5MHz；所述磁场变化接收机的时间常数为ms量级，或小于1ms，带宽为200Hz-5MHz；所述数据采集卡为能至少同时采集5路同步信号的多通道同步数据采集卡，采样率大于1MS/s，存储时间大于1s。
(三)有益效果
本发明的雷电电磁信号集成化同步综合观测系统，能够对雷电的电场快慢变化信息和三维磁场信息进行同步综合探测，同时，集成化技术的应用使得所探测数据的时空一致性较高，具有集成化、便携化的优势。
附图说明
图1为依照本发明一种实施方式的雷电电磁信号集成同步综合观测系统结构示意图；
图2为依照本发明一种实施方式的雷电电磁信号集成同步综合观测系统中的电场变化接收机原理图；
图3为依照本发明一种实施方式的雷电电磁信号集成同步综合观测系统中的磁场变化接收机原理图；
图4为依照本发明一种实施方式的雷电电磁信号集成同步综合观测系统工作流程图。
具体实施方式
本发明提出的雷电电磁信号集成同步综合观测系统，结合附图和实施例说明如下。
目前，国内外还没有见到成熟的、市场化的雷电电磁波形综合集成探测设备，为此，本发明基于高速数据采集及GPS同步方案的雷电电磁信号集成化同步综合观测系统，实现了雷电电磁场信号的高速、同步采集。
如图1所示，依照本发明一种实施方式的雷电电磁信号集成化同步综合观测系统，包括：集成探测天线装置，探测雷电产生的电磁场变化、时间信息以及探测位置的空间信息，并将电磁场变化信号以及时空位置信息发送至接收机，包括电场变化天线、三维磁天线、以及GPS天线；接收机，接收集成探测天线装置发送的电磁场变化信号以及时空位置信息，并对其进行处理后发送至数据采集控制装置，包括电场变化接收机、磁场变化接收机、以及GPS接收机；数据采集控制装置，实时采集经接收机处理后的数据，进行波形显示并存储；该系统还包括：支撑防护装置，支撑并将集成探测天线装置及接收机安装在其内，或仅支撑并将集成探测天线装置安装在其内。
其中，电场变化天线、三维磁天线具有集成化结构。
电场变化天线，用于探测雷电产生的电场变化，并将电场变化信号发送至电场变化接收机，由该电场变化接收机对其进行处理后发送至数据采集控制装置。包括：电场快变化天线1以及电场慢变化天线2，电场快变化天线1以及电场慢变化天线2分别为两块金属平板电容天线，一般采用铝板，其大小和厚度由探测灵敏度需求决定，且通过支撑体构成同一平板，二者之间设置绝缘体使其相互绝缘，相应地，电场快变化天线1与电场快变化接收机相连，电场慢变化天线2与电场慢变化接收机相连。
三维磁天线，探测雷电产生的磁场变化，并将磁场变化信号发送至接收机的磁场变化接收机，由该磁场变化接收机对其进行处理后发送至数据采集控制装置。该三维磁天线由第一垂直正交磁环5、第二垂直正交磁环6、以及水平磁环7构成三维笼状结构，电场变化天线集成在该笼状结构的上表面上，第一垂直正交磁环5、第二垂直正交磁环6、以及水平磁环7互相垂直正交，且均由非磁性金属屏蔽体以及缠绕在骨架上的金属导线线圈构成，其中非磁性金属屏蔽体用来屏蔽电场信号的串扰，金属导线线圈用来感应磁场变化，导线线圈的匝数取决于探测灵敏度的需求。
GPS天线4将时空位置信息发送至接收机的GPS接收机，由GPS接收机将其发送至数据采集控制装置。
数据采集控制装置为工控机，其进一步包括：数据采集卡18，通过传输线14与电场变化接收机以及磁场变化接收机相连；串口15，与GPS接收机相连；存储器17，为工控机的硬盘，存储数据采集卡18采集到的经接收机处理后的数据；显示器，显示数据采集卡18采集到的经接收机处理后的数据的波形；测量控制器16，可由程序或控制软件实现，能够控制数据采集卡18的采样长度、采样率、触发方式、触发阈值、显示方式、以及存储位置等参数，能够自由选择触发通道。
如图2所示，电场变化接收机依次连接电场变化天线、积分器、滤波器、信号放大电路、以及数据采集控制装置的数据采集卡18等。
磁场变化接收机依次连接三维磁天线、差动积分器、滤波器、信号放大器、以及数据采集卡18等。
继续如图1所示，支撑防护装置进一步包括：玻璃钢防护罩3，其底面的支撑板10上固定接收机电路仓室9，接收机设置在接收机电路仓室9内，三维磁天线固定于接收机电路仓室上顶盖8上，电场变化天线设置于玻璃钢防护罩3内部顶端；支撑立柱12，固定于玻璃钢防护罩3下，传输线14设置在支撑立柱12内，支撑立柱12上还设置有供电装置11，与接收机相连，为其提供合适的电压；支撑底座13，固定于支撑立柱下12。
上述GPS接收机、电场变化接收机、以及磁场变化接收机还可以为PCI插槽模式，这样，将接收机固定在工控机的PCI插槽中，此时，玻璃钢防护罩3的底面的支撑板10上仅固定三维磁天线，电场变化天线仍设置于玻璃钢防护罩3内部顶端。
玻璃钢防护罩3由电磁透过材料加工，其电磁透过率由材料的成分决定。支撑立柱12及支撑底座13均由不锈钢材料制作而成，能够减小在潮湿环境下的腐蚀。另外，为了减弱雨水引起的防护罩的低频电屏蔽效应，玻璃钢防护罩3顶部开孔，电场变化天线固定于开孔位置。
电场快变化接收机的时间常数为ms量级，或小于1ms，带宽为200Hz-5MHz；所述电场慢变化接收机的时间常数为s量级，带宽为0.1Hz-5MHz；所述磁场变化接收机的时间常数为ms量级，或小于1ms，带宽为200Hz-5MHz；数据采集卡18为能至少同时采集5路同步信号的多通道同步数据采集卡，具有12位AD转换精度，具备512MB板载内存，可在采集时提供足够的缓冲区。具有50mV到30V的输入范围、软件可选的50Ω或1MΩ输入阻抗，各种触发选项以及紧密的同步能力，与工控机采用PCI总线传递数据，采样率大于1MS/s，存储深度保证采样时间大于1s。
以下参照图4说明本发明系统的工作流程：
系统开始工作后，没有闪电发生时，处于等待状态；当闪电发生时，若信号变化量超过了设定的触发阈值，则数据采集卡触发，采集数据并对数据进行自动保存，自动获取闪电触发时刻的GPS时间信息和探测位置信息，并将时间信息作为数据文件名保存，同时自动显示电磁波形。由于GPS数据是通过串口传递至工控机，电磁场变化数据是通过PCI总线传递至工控机，为保证某一秒的串口数据与该秒的PCI总线数据在时刻上能正确对应，数据采集卡的数据传递必须保证严格的实时性，因此数据采集卡在每个1PPS脉冲的上升沿都会向工控机申请中断，在数据到达一定量时也会向工控机申请中断，工控机响应中断，将数据采集卡上的数据全部读取到工控机。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (10)
1.一种雷电电磁信号集成化同步综合观测系统，其特征在于，该系统包括：
集成探测天线装置，探测雷电产生的电磁场变化、时间信息以及探测位置的空间信息，并将电磁场变化信号以及时空位置信息发送至接收机；
接收机，接收所述集成探测天线装置发送的电磁场变化信号以及时空位置信息，并对其进行处理后发送至数据采集控制装置；
数据采集控制装置，实时采集经所述接收机处理后的数据，进行波形显示并存储。
2.如权利要求1所述的雷电电磁信号集成化同步综合观测系统，其特征在于，该系统还包括：
支撑防护装置，支撑并将所述集成探测天线装置及所述接收机安装在其内，或仅支撑并将所述集成探测天线装置安装在其内。
3.如权利要求2所述的雷电电磁信号集成化同步综合观测系统，其特征在于，所述集成探测天线装置进一步包括：
电场变化天线，探测雷电产生的电场变化，并将电场变化信号发送至所述接收机；
三维磁天线，探测雷电产生的磁场变化，并将磁场变化信号发送至所述接收机；
GPS天线，将时空位置信息发送至接收机。
4.如权利要求3所述的雷电电磁信号集成化同步综合观测系统，其特征在于，所述接收机进一步包括：
电场变化接收机，与所述电场变化天线相连，接收所述电场变化天线发送的电场变化信号，并对其进行处理后发送至数据采集控制装置；
磁场变化接收机，与所述三维磁天线相连，接收所述三维磁天线发送的磁场变化信号，并对其进行处理后发送至数据采集控制装置；
GPS接收机，与所述GPS天线相连，接收所述GPS天线发送的时空位置信息，并将其发送至数据采集控制装置。
5.如权利要求4所述的雷电电磁信号集成化同步综合观测系统，其特征在于，所述电场变化天线进一步包括电场快变化天线以及电场慢变化天线，所述电场快变化天线以及所述电场慢变化天线分别为两块金属平板电容天线，且通过支撑体构成同一平板，二者之间设置绝缘体；
所述电场变化接收机进一步包括：与所述电场快变化天线相连的电场快变化接收机，以及与所述电场慢变化天线相连的电场慢变化接收机。
6.如权利要求5所述的雷电电磁信号集成化同步综合观测系统，其特征在于，所述三维磁天线由第一垂直正交磁环、第二垂直正交磁环、以及水平磁环构成三维笼状结构，三者互相垂直正交，且均由非磁性金属屏蔽体以及缠绕在骨架上的金属导线线圈构成。
7.如权利要求6所述的雷电电磁信号集成化同步综合观测系统，其特征在于，所述数据采集控制装置为工控机，其进一步包括：
测量控制器，控制采样长度、采样率、触发方式、触发阈值、触发通道选择、显示方式、以及存储位置；
数据采集卡，通过传输线与所述电场变化接收机以及磁场变化接收机相连；
串口，与所述GPS接收机相连；
存储器，存储所述数据采集卡采集到的经所述接收机处理后的数据；
显示器，显示所述数据采集卡采集到的经所述接收机处理后的数据的波形。
8.如权利要求7所述的雷电电磁信号集成化同步综合观测系统，其特征在于，所述支撑防护装置进一步包括：
玻璃钢防护罩，其底面的支撑板上固定接收机电路仓室，所述接收机设置在所述接收机电路仓室内，所述三维磁天线固定于所述接收机电路仓室上顶盖上，所述电场变化天线设置于所述玻璃钢防护罩内部顶端；
支撑立柱，固定于所述玻璃钢防护罩下，所述传输线设置在所述支撑立柱内，所述支撑立柱上还设置有供电装置，与所述接收机相连；
支撑底座，固定于所述支撑立柱下。
9.如权利要求7所述的雷电电磁信号集成化同步综合观测系统，其特征在于，
所述接收机固定在所述工控机的PCI插槽中；
所述支撑防护装置进一步包括：
玻璃钢防护罩，其底面的支撑板上固定所述三维磁天线，所述电场变化天线设置于所述玻璃钢防护罩内部顶端；
支撑立柱，固定于所述玻璃钢防护罩下，所述传输线设置在所述支撑立柱内，所述支撑立柱上还设置有供电装置，与所述接收机相连；
支撑底座，固定于所述支撑立柱下。
10.如权利要求8或9所述的雷电电磁信号集成化同步综合观测系统，其特征在于，所述电场快变化接收机的时间常数为ms量级，或小于1ms，带宽为200Hz-5MHz；所述电场慢变化接收机的时间常数为s量级，带宽为0.1Hz-5MHz；所述磁场变化接收机的时间常数为ms量级，或小于1ms，带宽为200Hz-5MHz；所述数据采集卡为能至少同时采集5路同步信号的多通道同步数据采集卡，采样率大于1MS/s，存储时间大于1s。
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