CN102497177A - 用于雷击拍摄的光触发器 - Google Patents

Abstract

一种用于雷击拍摄的光触发器，包括光电转换电路、高通滤波放大电路和脉冲展宽电路，本发明能有效探测雷电通道的光辐射，给雷击拍摄装置提供触发信号，具有不受背景光干扰，白天和黑夜均可探测雷闪光信号，准确度高，结构简单，通用性好，成本低廉，体积轻巧、安装方便等特点。可广泛用作架空输电线路、建筑物或其他地面物体的雷击拍摄装置的光触发器，尤其适用于110kV～1000kV架空输电线路的雷击拍摄装置。

Description

用于雷击拍摄的光触发器

技术领域

本发明涉及雷击拍摄装置，具体是一种用于雷击拍摄的光触发器，用于在线监视摄像头，能有效探测雷电通道的光辐射，给雷击拍摄装置提供触发信号，适用于架空输电线路、建筑物或其他地面物体的雷击拍摄装置。

背景技术

雷电作为造成电力系统故障的主要原因之一，对其进行实时雷击在线拍摄能为雷电特性，雷击方式及防雷对策等研究提供直接数据，具有十分重要的意义。目前我国正在探索对雷击输电线路的在线拍摄，其核心技术是对雷击信号的自动捕捉以触发拍摄装置。

雷击信号的捕捉方式有很多种，例如，基于典型雷闪快慢电场变化的天电探测器采用频率选择型滤波器筛选出目标雷电信号，但这种方式噪声辨识度较差从而常导致误触发；基于振动式或旋转式电场仪的探测器根据附近云中电场的稳定水平和缓慢变化量判断雷电发生，响应快、灵敏度高，缺点是成本高、探测范围有限且机械结构复杂；此外还有基于电晕电流的雷电探测器，通过放大尖端导体释放的电荷产生的场强，给出雷电信号和电场纵向幅值及场强的变化量，该方法虽然比电场强度计法简单些，但由于受大地附近空间电荷运动的干扰，灵敏度低，易发生漏触发和误触发。

近年来，基于光电效应的光频信号探测器开始受到广泛关注，其特点是造价低，响应快，准确度高。目前利用光探测器探测闪电事件的系统主要有美国的Lightning Imaging Sensor(LIS)，Optical TransientDetector(OTD)，Lightning Mapper Sensor(LMS)等，但这些系统是建立在星载空间雷电探测的背景下，与安装在输电杆塔上的地面雷击观测要求不同，且价格昂贵难以广泛布置。经过对现有技术的检索发现，在国外有类似技术公开，如美国专利“Transformer-coupled photodiodecircuit for lightning and other light pulse detection”(专利号5448161)中采用一种硅光电二极管耦合变压器电路产生雷击触发信号，其中硅光电二极管和变压器的初级线圈相连，变压器的二级线圈提供触发电流信号，该触发器的主要缺点是：电路采用的技术较为落后，变压器结构限制了电路的体积和自重，不方便配合使用，而在国内未见用于雷击拍摄装置触发电路的公开或使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光电二极管的用于雷击拍摄的光触发器，该电路具有简单可靠，成本低廉且易于应用的特点，可实现在白天和夜晚的全天候雷击自动拍摄记录。

本发明的工作原理是：

当发生雷击时，触发器需要在野外条件下，接收环境背景光中突发的闪光信号，因此光源信号主要由两部分组成：一是探测信号，雷电光；二是干扰信号，背景光。雷电光辐射的能量主要集中在波长300nm～1000nm之间，最重要的光谱线为NI，NII，OI和OII等原子光谱线，尤以中性氮原子NI648.2nm和中性氧原子OI777.4nm谱线最强。由于雷电产生的能量不同，光信号的频带也会不同，但主要能量集中在1kHz～5kHz的频率范围内。而背景光噪声信号主要来自地表及云层反射的太阳光，其变化非常缓慢，可看作高斯限带白噪声，频谱能量分布主要集中在300Hz以下。因此可根据雷击光辐射与背景光的频率特性差异消除噪声干扰从而获取有用信号。

本发明的技术解决方案如下：

一种基于光电二极管的用于雷击拍摄的光触发器，特征在于其构成包括光电转换电路、高通滤波放大电路和脉冲展宽电路。

所述的光电转换电路包括：PIN光电二极管、第一电阻、第二电阻和第一运算放大器，所述的光电二极管置于反偏置工作，N极接于工作电压，P极与第一电阻和第一运算放大器的正相输入端的节点连接，第一电阻的另一端接地，第一运算放大器的输出端经第二电阻与其负输入端连接形成负反馈，该第一运算放大器的输出端与高通滤波放大电路的输入端相连。

所述的高通滤波放大电路包括结构相同的第一级滤波放大电路和第二级滤波放大电路，第一级滤波放大电路包括第一电容、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻和第二运算放大器，所述的第一电容一端与所述的第一运算放大器的输出端相连，另一端与第三电阻和第四电阻的节点相连，第三电阻的另一端接地，第四电阻的另一端与所述的第二运算放大器的正相输入端相连，第二运算放大器的输出端经第六电阻与第二运算放大器的负相输入端相连形成负反馈，该第二运算放大器的负相输入端经第五电阻接地，第二级滤波放大电路包括第二电容、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻和第三运算放大器，所述的第二电容的一端与第二运算放大器的输出端相连，另一端与第七电阻和第八电阻的节点相连，第七电阻的另一端接地，第八电阻的另一端与第三运算放大器的正相输入端相连，第三运算放大器的输出端经第十电阻与负相输入端相连形成负反馈，该第三运算放大器的负相输入端经第九电阻接地。

所述的脉冲展宽电路包括：一个二极管、第三电容、第四运算放大器、第十一电阻、第十二电阻和第十三电阻，所述的二极管的阳极与第三运算放大器的输出端相连，该二极管的阴极与所述的第三电容、第十一电阻和第四运算放大器的正输入端的节点相连，第三电容的另一端连接所述的工作电压，第十一电阻的另一端接地，第四运算放大器负输入端与第十二电阻和第十三电阻的节点相连，所述的第十二电阻的另一端接地，第十三电阻的另一端接所述的工作电压，第四运算放大器的输出端即为本触发器的输出端，输出信号V_out。

本发明采用上述技术方案后，主要有以下技术效果：

1.本发明利用光电二极管接收雷击光辐射从而产生用于雷击拍摄的触发信号，具有响应迅速，触发及时，准确度高等特点。

2.本发明采用二级高通滤波放大电路，能够有效消除背景光的噪声干扰，在白天和黑夜均可探测到雷闪光信号，具有可靠度高，抗干扰性强等优点。

3.本发明的输出触发信号脉宽及幅值均可灵活调节，能够满足摄像机或静止照相机的触发输入信号要求，具有较好的通用性。

4.本发明电路结构简单，具有成本低，体积小，重量轻，便于安装等优点。

总之，本发明能有效探测雷电通道的光辐射，给雷击拍摄装置提供触发信号，具有不受背景光干扰，白天和黑夜均可探测雷闪光信号，准确度高，结构简单，通用性好，成本低廉，体积轻巧、安装方便等特点。可广泛用作架空输电线路、建筑物或其他地面物体的雷击拍摄装置的光触发器，尤其适用于110kV～1000kV架空输电线路的雷击拍摄装置。

附图说明

图1是本发明用于雷击拍摄的光触发器的结构图。

图2是本发明一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

先请参阅图1，图1是本发明用于雷击拍摄的光触发器的结构图。由图可见，本发明用于雷击拍摄的光触发器，包括：光电转换电路1、高通滤波放大电路2和脉冲展宽电路3，共计4个运算放大器以电压跟随器的形式相连接。

所述的光电转换电路1包括：PIN光电二极管PD₁、第一电阻R₁、第二电阻R₂和第一运算放大器A₁，其中：所述的光电二极管PD₁置于反偏置工作，N极接于工作电压，P极与第一电阻R₁和第一运算放大器A₁的正相输入端的节点连接，第一电阻R₁的另一端接地，第一运算放大器A₁的输出端经第二电阻R₂与其负输入端连接形成负反馈，该第一运算放大器A₁的输出端与高通滤波放大电路2的输入端相连接；

所述的光电转换电路1中的PIN光电二极管PD₁是PN结中间设置了一层掺杂浓度很低的本征半导体，形成P-I-N结构，在反向偏置电压的作用下，本征层的引入加大了耗尽层区的厚度，并形成强电场区。由于入射光子只能在本征层内被吸收，光生载流子在强电场作用下加速运动至N层，形成光电流。设I_s为光电二极管的输出电流，由光电流I_P和暗电流I_d组成。光电流I_P为：

$I_P=\frac{\mathrm{e\η\λ}}{\mathrm{hc}}\·P=R_e\·P---\left(1\right)$

式中，e是电子电荷，1.60×10^-19C；λ是入射波长；c为光速，3×10⁸m/s；η为量子效率；h为普朗克常量，6.63×10^-34Js；P为入射光功率；R_e为光电二极管的响应度。暗电流I_d很小，远小于光生电流，故I_s近似与辐照光功率成正比，

I_s＝I_P+I_d≈I_P    (2)

第一电阻R₁将光电流I_s转换为电压信号，从而提高了信噪比。第一运算放大器A₁和第二电阻R₂构成了负反馈采样电路，起到缓冲隔离的作用。

所述的高通滤波放大电路2为两级结构相同的滤波放大电路，其中滤波采用一阶有源高通滤波结构。第一级滤波放大电路包括第一电容C₁、第三电阻R₃、第四电阻R₄、第五电阻R₅、第六电阻R₆和第二运算放大器A₂，其中第一电容C₁一端与第一运算放大器A₁的输出端相连，另一端分别与第三电阻R₃和第四电阻R₄相连，第三电阻R₃的另一端接地，第四电阻R₄的另一端与第二运算放大器A₂的正相输入端相连，第二运算放大器A₂的输出端经第六电阻R₆与负相输入端相连形成负反馈，同时第二运算放大器A₂的负相输入端经第五电阻R₅接地。第二级滤波放大电路包括第二电容C₂、第七电阻R₇、第八电阻R₈、第九电阻R₉、第十电阻R₁₀和第三运算放大器A₃，其中第二电容C₂的一端与第二运算放大器A₂的输出端相连，另一端分别与第七电阻R₇和第八电阻R₈相连，第七电阻R₇的另一端接地，第八电阻R₈的另一端与第三运算放大器A₃的正相输入端相连，第三运算放大器A₃的输出端经第十电阻R₁₀与负相输入端相连形成负反馈，同时第三运算放大器A₃的负相输入端经第九电阻R₉接地。

所述的高通滤波放大电路2中第一级高通滤波放大器的作用是滤除背景光噪声信号的干扰并将信号放大，高通滤波器-3dB带宽的截止频率f为为1/2πR₃C₁，放大倍数为为1+R₆/R₅。第二级高通滤波放大器的作用是降低电路噪声信号的影响并将信号调整到输出信号的量级，其截止频率为1/2πR₇C₂，放大倍数为为1+R₁₀/R₉。

所述的脉冲展宽电路3包括：一个二极管D₁，第三电容C₃，第四运算放大器A₄，第十一电阻R₁₁、第十二电阻R₁₂和第十三电阻R₁₃。二极管的阳极与第三运算放大器A₃的输出端相连，阴极分别与第三电容C₃、第十一电阻R₁₁及第四运算放大器A₄的正输入端相连，第三电容C₃的另一端连接工作电压，第十一电阻R₁₁的另一端接地，第四运算放大器A₄的负输入端分别与第十二电阻R₁₂和第十三电阻R₁₃相连，其中第十二电阻R₁₂的另一端接地，第十三电阻R₁₃的另一端接工作电压，第四运算放大器A₄的输出端即为触发器的输出信号V_out。

所述的脉冲展宽电路3中第四运算放大器A₄作为比较器，当触发脉冲信号输入时，二极管D₁导通，第三电容C₃通过第十一电阻R₁₁快速放电，其正输入端电压增大；当正输入端电压大于负输入端电压时，第四运算放大器A₄的输出即触发器输出(V_out)为工作电压值。随着放电的进行，正输入端电压增大，直到二极管D₁截至时，第三电容C₃开始反向充电，正输入端电压逐渐减小，当正输入端电压小于负输入端电压时，触发器的输出V_out为零。这样就得到了展宽后的宽脉冲输出信号。展宽后的脉冲宽度主要取决第三电容C₃的充电时间τ和第四运算放大器A₄的负输入端的比较电压，其中

τ＝R₁₁C₃    (3)

$V_{A_4^{-\mathrm{in}}}=\frac{R_{12}}{R_{12}+R_{13}}\·V_{\mathrm{cc}}---\left(4\right)$

为满足不同拍摄装置对触发脉冲宽度或幅值的要求，可通过改变第十一电阻R₁₁、第三电容C₃以及第四运算放大器A₄的负输入端电压的值来获得。

如图2所示，本实施例是一种用于在线监视摄像头上的雷击光触发器，主要包括：本发明雷击光触发器4、摄像头5、中央处理器6、数据存储器7和工作电源8。其中雷击光触发器4的输出连接到中央处理器6的触发信号，摄像头5与中央处理器6的视频口相连，数据存储器7置于中央处理器6内部，工作电源8分别与本发明雷击光触发器4和中央处理器6连接。本发明雷击光触发器4仅有2处需要与其他外部设施相连接，其一是连接到工作电源8，另一处是连接到中央处理器6用于控制摄像头的触发。工作过程为：雷击光触发器4作为触发信号输出，当中央处理器6通过I/O口获取触发信号时，开启摄像头5的录制功能，并将触发时刻前后5秒图像文件保存到数据存储器7中。

实验结果

日间，采用冲击电压发生器装置对长1.5米的棒板间隙做负极性放电，模拟雷闪光能的释放。带有基于光电二极管的雷击光触发器拍摄装置位于拍摄距离10米远处，在接收光信号，自动触发拍摄。测试结果表明，本发明能够在强背景光中捕捉瞬变的雷击光信号，实现雷击光辐射的自动拍摄功能。

实验表明，本发明能有效探测雷电通道的光辐射，给雷击拍摄装置提供触发信号，具有不受背景光干扰，白天和黑夜均可探测雷闪光信号，准确度高，结构简单，通用性好，成本低廉，体积轻巧、安装方便等特点。可广泛用作架空输电线路、建筑物或其他地面物体的雷击拍摄装置的光触发器，尤其适用于110kV～1000kV架空输电线路的雷击拍摄装置。

Claims (4)

1.一种基于光电二极管的用于雷击拍摄的光触发器，特征在于其构成包括光电转换电路(1)、高通滤波放大电路(2)和脉冲展宽电路(3)。

2.根据权利要求1所述的用于雷击拍摄的光触发器，其特征是，所述的光电转换电路(1)包括：PIN光电二极管(PD1)、第一电阻(R₁)、第二电阻(R₂)和第一运算放大器(A₁)，所述的光电二极管(PD1)置于反偏置工作，N极接于工作电压(Vcc)，P极与第一电阻(R₁)和第一运算放大器(A₁)的正相输入端的节点连接，第一电阻(R₁)的另一端接地，第一运算放大器(A₁)的输出端经第二电阻(R₂)与其负输入端连接形成负反馈，该第一运算放大器(A₁)的输出端与高通滤波放大电路(2)的输入端相连。

3.根据权利要求1所述的用于雷击拍摄的光触发器，其特征是，所述的高通滤波放大电路(2)包括结构相同的第一级滤波放大电路和第二级滤波放大电路，其中滤波采用一阶有源高通滤波结构，第一级滤波放大电路包括第一电容(C₁)、第三电阻(R₃)、第四电阻(R₄)、第五电阻(R₅)、第六电阻(R₆)和第二运算放大器(A₂)，所述的第一电容(C₁)一端与所述的第一运算放大器(A₁)的输出端相连，另一端与第三电阻(R₃)和第四电阻(R₄)的节点相连，第三电阻(R₃)的另一端接地，第四电阻(R₄)的另一端与所述的第二运算放大器(A₂)的正相输入端相连，第二运算放大器(A₂)的输出端经第六电阻(R₆)与第二运算放大器(A₂)的负相输入端相连形成负反馈，该第二运算放大器(A₂)的负相输入端经第五电阻(R₅)接地，第二级滤波放大电路包括第二电容(C₂)、第七电阻(R₇)、第八电阻(R₈)、第九电阻(R₉)、第十电阻(R₁₀)和第三运算放大器(A₃)，所述的第二电容(C₂)一端与第二运算放大器(A₂)的输出端相连，另一端与第七电阻(R₇)和第八电阻(R₈)的节点相连，第七电阻(R₇)的另一端接地，第八电阻(R₈)的另一端与第三运算放大器(A₃)的正相输入端相连，第三运算放大器(A₃)的输出端经第十电阻(R₁₀)与负相输入端相连形成负反馈，该第三运算放大器(A₃)的负相输入端经第九电阻(R₉)接地。

4.根据权利要求1所述的用于雷击拍摄的光触发器，其特征是，所述的脉冲展宽电路(3)包括：一个二极管(D1)、第三电容(C₃)、第四运算放大器(A₄)、第十一电阻(R₁₁)、第十二电阻(R₁₂)和第十三电阻(R₁₃)，所述的二极管(D1)的阳极与第三运算放大器(A₃)的输出端相连，该二极管(D1)的阴极与所述的第三电容(C₃)、第十一电阻(R₁₁)和第四运算放大器(A₄)的正输入端的节点相连，第三电容(C₃)的另一端连接工作电压(Vcc)，第十一电阻(R₁₁)的另一端接地，第四运算放大器(A₄)的负输入端与第十二电阻(R₁₂)和第十三电阻(R₁₃)的节点相连，所述的第十二电阻(R₁₂)的另一端接地，第十三电阻(R₁₃)的另一端接工作电压(Vcc)，第四运算放大器(A₄)的输出端即为本触发器的输出端，输出信号(V_out)。

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