CN102937671A - 一种雷电及地面电场监测一体装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种雷电及地面电场监测一体装置，包括地面电场监测单元、雷电探测单元和信号与数据处理单元；地面电场监测单元包括MCU模块、电场仪、放大器、滤波器和自检/自校模块；雷电探测单元包括天线组件、三个前置放大电路、三个信号调理电路、波形鉴别电路、光电管和光探测模块；所述信号与数据处理单元对前述接收的信号进行处理，并通过通信接口传送给计算机进行显示。此装置将雷电预测和雷电定位功能集成于一体，克服单一设备不易携带、探测精度低的缺点，提高雷电监测精度和准确度。

Description

一种雷电及地面电场监测一体装置

技术领域

本发明属于电子领域，特别涉及一种既能记录闪电发生前雷暴的电活动，又能记录雷暴过程中发生的闪电空间位置和放电参数的具有雷电监测及地面电场测量功能的一体装置。

背景技术

由雷电而引发的灾害现象已成为危害程度仅次于暴雨洪涝、气象地质灾害的第三大气象灾害。由于雷电的形成机理、形成条件极其复杂，雷电发生后的衍生物理现象转瞬即逝，单一的仅靠雷电发生后的衍生物理现象或是雷电发生不同阶段的地面电场情况作为雷电探测的标准是远远不够的。目前，测量大气电场和闪电活动的设备分别是基于通过电场传感器探头来对大气电场的变化进行监控的场磨式电场仪和基于单站定位的雷电探测仪，大气电场仪是一种通过前置传感器探头测量地面大气电场强度的设备，能够在野外恶劣的环境下长期对地面附近的大气电场强度进行测量，通过雷暴发生过程中地面大气电场变化对雷电进行预警；雷电探测仪利用电磁场信号和光信号对远处发生的雷电进行定向和测距。两种设备的功能不完全相同，大气电场仪起到前期预测的作用，即根据雷暴发展过程中各阶段电场变化的规律，判断雷暴当前所处的阶段，进而判断出短时间内监测区域内雷击发生的可能性；而雷电探测仪是对雷电进行准确定位的装置。这两种设备国际上一般都是分开、独立的，尚未出现将两种功能结合在一起的一体化测量装置。

另外，单站模式下，雷电的方向信息及其精度可以直接测量和满足要求，但雷电的距离无法直接测量，精确到1km的定位无法实现。目前，单站精确定位还属于世界级的难题。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种雷电及地面电场监测一体装置，其将雷电预测和雷电定位功能集成于一体，克服单一设备不易携带、探测精度低的缺点，提高雷电监测精度和准确度。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种雷电及地面电场监测一体装置，包括地面电场监测单元、雷电探测单元和信号与数据处理单元；

地面电场监测单元包括MCU模块、电场仪、放大器、滤波器和自检/自校模块，电场仪的输出端连接放大器的输入端，将感测的外电场电流信号送入放大器进行放大，所述放大器的输出端经由滤波器连接MCU模块，将滤波后得到的正弦波信号送入MCU模块；所述MCU模块将前述正弦波信号进行模数转换后通过RS232送入信号与数据处理单元，所述MCU模块还将预设的设备自检参数值进行数模转换后控制自检/自校模块产生自检信号；

雷电探测单元包括天线组件、三个前置放大电路、三个信号调理电路、波形鉴别电路、光电管和光探测模块，其中，天线组件包括分别用于接收磁场信号的东西环天线、南北环天线和用于接收电场信号的电场天线，所述三个前置放大电路的输入端与前述三种天线一一对应连接，所述前置放大电路的输出端则与三个信号调理电路的输入端一一对应连接；所述各信号调理电路的输出端输出电磁场信号，一方面通过总线连接信号与数据处理单元，另一方面连接波形鉴别电路，由波形鉴别电路判断是否是雷电信号后，通过总线送入信号与数据处理单元；所述光电管的输出端连接光探测模块，将采集的红外光信号转换为光电电流，并经光探测模块转换为电脉冲信号后送入信号与数据处理单元；

所述信号与数据处理单元对前述接收的信号进行处理，并通过通信接口传送给计算机进行显示。

上述电场仪包括动片和感应电极，所述动片在电机的带动下旋转，从而在感应电极上产生电流信号，该电流信号送入放大器的输入端。

上述放大器的输出端与滤波器的输入端之间还连接有跟随器。

采用上述方案后，本发明具有以下优点：

（1）本发明将电场强度测量技术和雷电定位技术相结合，对局地地面大气电场强度进行测量，对远距离发生的雷电进行测向和定距，通过综合二者信息，对可能发生的雷电危害进行预警，在国际上尚属创新；

（2）本发明利用高速AD和DSP技术，综合应用电磁场强度法、能谱法和光信号强度精确计算雷电距离，提高测量精度和可靠性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中地面电场监测单元的原理框图；

图3是本发明中雷电探测单元的原理框图；

图4是本发明中信号与数据处理单元的原理框图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明提供一种雷电及地面电场监测一体装置，包括地面电场监测单元、雷电探测单元和信号与数据处理单元，下面分别介绍。

如图2所示，是本发明中地面电场监测单元的结构框图，所述地面电场监测单元包括MCU模块、电场仪、放大器、滤波器和自检/自校模块，其中，电场仪采用JDC-5场磨式电场仪，其由动片和感应电极组成，动片位于装置最下端，向上一层为标定电极板和感应电极（即一般所认为的定子），电机带动动片旋转，动片循环遮挡大气外电场，从而在感应电极上产生电流信号，该电流信号的强度正比于外电场强度。

放大器的输入端连接电场仪的输出端，将电场仪产生的交变微弱电流信号进行放大，然后送入滤波器，在本实施例中，在放大器的输出端与滤波器的输入端之间还采用跟随器进行隔离，以消除前后级电路之间的相互影响，跟随器可采用LM148电路；在本实施例中，放大器采用高速运放CA3140，其压摆率达9V/μｓ，增益带宽4.5MHz，输入偏置电压不高于5mV，共模抑制比320μV/V，完全满足电路要求，而且，该运放可在-55°～125°温度范围内正常工作。电路连接采用单端输入负反馈放大。作为小信号放大器，CA3140对工作电源要求精度很高，所以CA3140的正负电源输入采用5V稳压二极管稳压。

滤波器接收前级放大器输出的放大信号，该放大信号为带有50Hz和其它一些频率成分的杂波干扰信号，滤波器对该放大信号进行带通滤波得到干净的正弦波信号，再经A/D转换后送入MCU模块。

在本实施例中，MCU模块采用C8051F020，其是一个完全集成的12位数据采集系统，在一个芯片内结合了高性能的自校准多通道12位ADC、双12位DAC和可编程8位微控制器，该微控制器具有看门狗定时器、电源监视器和ADC DMA功能；其中，前级滤波器滤波后得到的正弦波信号可采用MCU模块中自带的ADC进行模拟量数字化后再进行预处理，然后通过RS232送入信号与数据处理单元进行交互计算；此外，MCU模块还利用自身所带的双12位DAC将用户设定的设备自检参数值（数字量）转换为模拟量后，控制自检/自校模块产生自检信号。

所述自检/自校模块包括模拟开关ADG509及外围电路，所述ADG509在MCU模块提供的自检控制信号控制下关断与接通，从而控制其外围电路产生的模拟电场信号输入到地面电场监测单元电路中，用于实时检测设备的运行状况。

如图3所示，是本发明中雷电探测单元的结构框图，所述雷电探测单元包括天线组件、三个前置放大电路、三个信号调理电路、波形鉴别电路、标定信号发生器、光电管和光探测模块，其中，天线组件包括东西环天线、南北环天线和电场天线，东西环天线和南北环天线用于接收磁场信号，电场天线用于接收电场信号，三个前置放大电路的输入端与前述三种天线一一对应连接，所述前置放大电路的输出端则与三个信号调理电路的输入端一一对应连接；所述天线组件接收到的电磁场信号分别通过各自的模拟通道传送至与其连接的前置放大电路，进行前置放大后再送入各自连接的信号调理电路，对信号进行可选增益放大（高、中、低三档，增益之比大约为4:2:1）和滤波后，一方面通过总线送入信号与数据处理单元，另一方面送入波形鉴别电路，由该波形鉴别电路进行绝对值处理、峰点取样和脉宽测量，判断是否是雷电信号，然后再通过总线送入信号与数据处理单元。

在本实施例中，磁场天线（包括东西环天线和南北环天线）是两个正交的环，分别接受雷击磁场脉冲的东西分量B_ew和南北分量B_ns，计算出雷电脉冲电磁场强度B和来波方向θ：

$B=k\sqrt{{B_{\mathrm{ew}}}^2+{B_{\mathrm{ns}}}^2}---\left(1\right)$

θ=arctan(B_ns/B_ew) （2）

所述的电场天线是圆形双面印制板构成的平板电容传感器，接收雷击电场信号。雷击辐射出的电磁波使得平板电场天线上的电荷累积突然发生变化，该电场的脉冲变化可用于雷击的极性判别。

前置放大电路用于对天线组件接收到的微弱信号进行放大，此处采用高速运放LT1028，LT1028的运放速度可达11V/μｓ，带宽达50MHz，偏置电压小于40μV，对于频率在1kHz～400kHz范围的雷电信号完全满足要求。接法采用单端输入的负反馈放大，由于雷电强度的不可预见性，天线接收电磁脉冲所感应的信号幅度不可能稳定在某个范围内，所以其放大增益要适中，既要对弱雷电信号的放大满足后续电路的要求，还要保证对强雷电信号的放大不超过后续电路的接受能力；同时，为保证强雷电信号不超出片子自身的输入范围，在其输入端加上15V的放电管，对强雷电信号进行抑制。

所述的信号调理电路包括增益调整、积分、取绝对值、保持、缩放等，其中，增益调整电路采用高增益运放SA5534，其带宽为10MHz，运放速度13V/μｓ，交流增益达6000倍，满足雷电信号处理的要求；增益调整电路采用同向输入放大形式，设有三个增益通道，分别为低增益、中增益和高增益，每个通道的增益又可通过反向输入端所接的电位器来调整；具体用哪个增益通道，需要多大增益须根据设备安装地的电磁环境来确定。经过前级放大、增益调整后的信号，再进行积分、取绝对值及缩放变换，使其信号波形更加规整，从而增加后续波形鉴别电路的判断准确性。在本实施例中，积分、缩放变换采用高速运放LM256，取绝对值电路采用高速运放AD825。

所述的波形鉴别电路采用前沿鉴别、后沿鉴别两个判断标准来确认是否为雷电信号，如果判断结果为真，则由此信号（电路中为TTL高电平）触发后级峰值锁定信号、峰值保持信号和DSP中断信号。峰值锁定信号用于锁定雷电信号峰值时的时间；峰值保持信号用于触发峰值保持电路，保存雷电信号来等待DSP的采样处理，而DSP中断信号则是通知DSP对雷电信号进行采样处理。上述前沿鉴别、后沿鉴别以及峰值锁定信号、峰值保持信号、DSP中断信号都采用单稳电路来实现，根据不同的需要调整芯片所所配外围电阻电容值的大小来产生不同宽度的脉冲信号来与雷电信号进行比较鉴别和对后级电路的控制。

所述的光电管主要用于采集红外光信号，闪电发生时，光电管内部由于光电效应产生光电电流，光探测模块将此电流经I/V变换形成电脉冲，再经放大、滤波形成干净规整的电脉冲信号；此信号将作为闪电计数脉冲传给信号与数据处理单元进行计数使用。光电管每接收一次闪电，信号与数据处理单元将接收到一次计数脉冲，这样系统可以精确地计算出一次雷电过程中确切的雷电个数。光电管采用滨松公司的S5870。S5870的有效面积为1cm2，截止频率为10MHz，频谱相应范围320到1100nm，峰值波长960nm。

所述的标定信号发生器采用两片单刀双掷模拟开关ADG1436，共四个通道，用户程序设定定时自检控制信号以及自检方向控制信号加于开关控制引脚，其中定时自检控制信号用于控制模拟信号产生电容的充放电，为5μs宽的脉冲信号，共10组，及每次自检产生10次模拟雷电数据。自检方向控制信号控制两个模拟通道，5ms间隔发5个2μs宽的脉冲信号，当此信号处于2μs宽的高电平时，模拟信号正向加入模拟线圈；当处于低电平时，模拟信号反向加入模拟线圈。这样信号与数据处理单元收到的将是五组正雷电信号数据和五组负雷电信号数据，即用于检测单元接收实际正负雷电信息的能力。

如图4所示，是本发明中信号与数据处理单元的原理框图，其综合处理地面大气静电场和雷电电磁场的数据，并将数据经通信接口传送给计算机进行雷电信息显示。地面电场监测单元相对独立，以每秒1次的采样率通过RS232给信号与数据处理单元发送电场数据，与雷电探测单元相连的总线接口完成电磁场信号的AD转换，DSP在确认是雷电信号后，计算闪电的方位，根据电磁场强度法、能谱法和光信号强度准确确定闪电的距离。

所述的信号与数据处理单元核心DSP采用TI公司的32位浮点芯片TMS320F28335EVM，TMS320F28335EVM的3路高速AD实时采集东西磁场、南北磁场和电场信号，在波形鉴别通过后，根据东西、南北磁场的峰值比，计算电波的方位角，利用电场的极性消除180°模糊。每60分钟，TMS320F28335EVM控制检测信号对系统进行1次自检，修正环境对系统测量的影响；每5分钟，28335EVM向用户报告1次系统的工作状态。

配合图1所示，是本发明的一种具体安装结构，将雷电探测单元设于上半部分（天线组件和光电管位于最上方），信号与数据处理单元和地面电场监测单元设于下半部分，并将地面电场监测单元的探头朝向地面，主要组成部件有光电管1、电场天线2、雷电环天线3（包括东西环天线和南北环天线）、天线罩4、壳体5、线路板6、信号板7、电源板8、电机9、感应电极10、标定电极板11、动片12、支架13和通信接口14等，其中，壳体5和支架13分别由玻璃钢和金属铝合金材料制作，雷电探测单元通过光电管1和天线组件（包括电场天线2和雷电环天线3）分别探测光信号和电磁场信号，地面电场监测单元通过电机9带动动片12旋转，在感应电极10上产生电流信号测量云中电荷在地面产生的静电场，其中标定电极板11用于地面电场监测单元的自检，雷电探测单元和地面电场监测单元分别通过RS232和总线接口和信号与数据处理单元相连，通信接口14将雷电和电场数据传送至计算机进行显示。

综上所述，本发明一种雷电及地面电场监测一体装置，具有以下特点：

（1）将地面电场监测单元和雷电探测单元结合为一体，通过将雷电过程发生时的电场变化数据和雷电定位数据进行融合，可以更全面、更准确地预测和表征雷电活动的趋势和活动情况，比以往单独使用电场仪或雷电定位仪得到的数据更加有效；

（2）依靠单站实现雷电的准确定位，利用高速AD和DSP技术，综合应用电磁场强度法、能谱法和光信号强度计算雷电位置，电磁场信号在放大后，直接进行AD转换，全部信号处理分析由DSP完成，得到信号的准确强度、相位、频谱分布的全部信息；

（3）地面电场监测单元和雷电探测单元具有自检功能，设备状态传送给信号与数据处理单元，发现异常，给出报警信号；

（4）采用光电管检测雷电红外光信号的辅助作用，精确计算雷电个数，确认雷电。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.一种雷电及地面电场监测一体装置，其特征在于：包括地面电场监测单元、雷电探测单元和信号与数据处理单元；

地面电场监测单元包括MCU模块、电场仪、放大器、滤波器和自检/自校模块，电场仪的输出端连接放大器的输入端，将感测的外电场电流信号送入放大器进行放大，所述放大器的输出端经由滤波器连接MCU模块，将滤波后得到的正弦波信号送入MCU模块；所述MCU模块将前述正弦波信号进行模数转换后通过RS232送入信号与数据处理单元，所述MCU模块还将预设的设备自检参数值进行数模转换后控制自检/自校模块产生自检信号；

雷电探测单元包括天线组件、三个前置放大电路、三个信号调理电路、波形鉴别电路、光电管和光探测模块，其中，天线组件包括分别用于接收磁场信号的东西环天线、南北环天线和用于接收电场信号的电场天线，所述三个前置放大电路的输入端与前述三种天线一一对应连接，所述前置放大电路的输出端则与三个信号调理电路的输入端一一对应连接；所述各信号调理电路的输出端输出电磁场信号，一方面通过总线连接信号与数据处理单元，另一方面连接波形鉴别电路，由波形鉴别电路判断是否是雷电信号后，通过总线送入信号与数据处理单元；所述光电管的输出端连接光探测模块，将采集的红外光信号转换为光电电流，并经光探测模块转换为电脉冲信号后送入信号与数据处理单元；

所述信号与数据处理单元对前述接收的信号进行处理，并通过通信接口传送给计算机进行显示。

2.如权利要求1所述的一种雷电及地面电场监测一体装置，其特征在于：所述电场仪包括动片和感应电极，所述动片在电机的带动下旋转，从而在感应电极上产生电流信号，该电流信号送入放大器的输入端。

3.如权利要求1所述的一种雷电及地面电场监测一体装置，其特征在于：所述放大器的输出端与滤波器的输入端之间还连接有跟随器。

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