CN103149458B

CN103149458B - 一种闪电监测设备

Info

Publication number: CN103149458B
Application number: CN201310076766.3A
Authority: CN
Inventors: 刘陈; 刘德明; 胡浩; 毛莉莉
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2012-11-21
Filing date: 2013-03-11
Publication date: 2016-03-09
Anticipated expiration: 2033-03-11
Also published as: CN103149458A

Abstract

本发明涉及监测设备技术领域，公开了一种闪电监测设备，包括：光强采集模块和信号分析模块；光强采集模块和信号分析模块连接。本发明提供的闪电监测设备首先将空域光信号进行光电转换，再将转换后的电信号进行判断。若判断为闪电，则发送触发信号，自动获取闪电的发生时刻，从而实现了对闪电的监测。本发明还利用光学成像及光纤束成像技术，结合高速多通道同步采集技术，实现了在微秒或亚微秒量级对高速闪电图像的采集。本发明结构合理、效果显著、实用性强。

Description

一种闪电监测设备

技术领域

本发明涉及监测设备技术领域，主要适用于闪电监测设备。

背景技术

闪电是一种放电现象，且具有巨大的破坏作用。而目前人类还无法控制和阻止它的产生。闪电灾害已被联合国有关部门列为“最严重的十种自然灾害之一”。

闪电的放电通道内部的情况是难以直接测量的，而且闪电演变过程在微秒量级，放电通道在空间分布区域较大。为了获取闪电放电的时空演变过程，就需要做到以下几点：

1.将闪电所产生的甚高频电磁场或是发射光谱及其变化来映射放电通道情况；

2.在时间上，至少能够在微秒时间量级记录放电通道；

3.在空间上，能够对放电通道上的各点精确定位。

在解决了上述关键技术的基础上，就可实现在微秒时间分辨率上对放电通道在三维空域进行重建，为雷电物理研究工作者提供放电通道在三维空域随时间变化的动态演变过程。

基于光学的放电通道观测也一直是雷电物理研究的重要途径之一。由闪电知识可知：闪电在阶梯先导阶段伴有微光，回击过程产生强光；因此用光学方法探测放电通道发光的时空几何变化可用于推测放电的发展，包括其中的电离情况。即，用光学探测方法对放电通道进行三维重建可以弥补甚高频方法的不足。

对闪电放电通道以光学方式进行研究，主要有以下三种成像系统：一是条纹相机，其时间分辨率可以达到微秒量级；但只有在地闪通道完全垂直时，条纹照片才真实地反映地闪先导速度和回击速度，利用条纹相机很难分析放电通道在水平方向上的发展。其二，ALPS(automaticlightningprogressionfeatureobservationsystem，闪电特征自动化观测系统)系统，采用分离光电二极管作为成像面阵的成像单元，虽然时间分辨率可以达到微秒级以上，但空间分辨率较低。其三，数字化高速摄像机，其空间分辨率和时间分辨率相互制约，难以同时实现高空间分辨率和高时间分辨率。

此外，由于闪电发生具有偶然性及发生时间极短的特性，上述系统采用人工触发方式难以捕捉并拍摄自然闪电。闪电的光学信号由一系列具有快速上升时间与短持续周期的脉冲组成，可以通过监测闪电先导信号实现对闪电的捕捉。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种闪电监测设备，它不仅能够对闪电信号进行监测，而且能够在保证高空间分辨率的前提下，以高于微秒级时间分辨率获取闪电持续过程的图像。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种闪电监测设备包括：光强采集模块和信号分析模块；所述光强采集模块和所述信号分析模块连接。

进一步地，还包括：图像获取模块；所述图像获取模块与所述信号分析模块连接。

进一步地，所述光强采集模块包括：光电探测器、高通滤波电路、放大电路及模数转换电路；所述光电探测器、所述高通滤波电路、所述放大电路、所述模数转换电路及所述信号分析模块顺序连接。

进一步地，所述光强采集模块还包括：自动增益控制电路；所述自动增益控制电路与所述放大电路、所述信号分析模块连接。

进一步地，所述信号分析模块包括：

第一存储单元，存储经所述模数转换电路转换后连续的光强数据；

光强阈值判断单元，将所述第一存储单元中的连续存储的光强数据与光强阈值进行比较；

若连续的光强数据均大于或者等于所述光强阈值，则说明连续的光强信号符合闪电先导光强变化特征，并继续对光强信号进行上升斜率的判断；

若在连续的光强信号中靠后的光强数据小于光强阈值或者连续的光强数据都小于光强阈值，则将连续的光强信号作为背景信号发送到所述自动增益控制电路中，并清空存储单元；

若连续的光强信号中的靠前的光强数据小于光强阈值而靠后的光强数据大于或者等于光强阈值，则说明连续的光强信号中的靠前的光强信号不符合闪电先导光强变化特征，而靠后的光强信号符合闪电先导光强变化特征；并将靠前的光强信号作为背景信号发送到自动增益控制电路中；再将符合闪电先导光强变化特征的靠后的光强信号的后续光强信号与光强阈值进行相同的比较；

上升斜率判断单元，根据所述光强阈值判断单元的判断结果选择是否对光强信号的上升斜率进行判断；

若由光强阈值判断单元判断的连续的光强信号符合闪电先导光强变化特征，则对光强信号之间的上升斜率进行判断；具体方法为：先取出至少6个连续的光强信号，再以至少每3个连续的光强信号为一组对所述取出的光强信号进行分组；接着对每组中的每2个连续的光强信号之间的上升斜率进行判断；若每组中每2个连续的光强信号之间的上升斜率均大于或者等于1/8，则说明取出的连续的光强信号符合闪电信号的上升斜率特征，即取出的连续的光强信号为闪电信号；并将所述闪电信号传输存储；

若取出的光强信号不符合闪电信号的上升斜率特征，则将取出的光强信号作为背景信号发送到自动增益控制电路，并清空存储单元；

第二存储单元，对闪电信号进行存储，并将触发信号分别发送到第一存储单元和所述图像获取模块。

进一步地，所述信号分析模块还包括：

计时判断单元，对所述上升斜率判断单元的判断时间进行判断；若上升斜率判断单元的判断时间符合闪电信号的判断时间的要求，则说明由上升斜率判断单元得到的判断结果可用，否则判断结果不可用。

进一步地，所述信号分析模块还包括：

计算单元，对所述光强信号进行背景计算。

进一步地，所述图像获取模块包括：成像透镜、光纤束、线阵CCD及线阵CCD驱动装置；所述成像透镜通过所述光纤束与所述线阵CCD连接，所述线阵CCD驱动装置同时与线阵CCD连接、所述信号分析模块连接。

进一步地，所述光纤束的一端为复数根光纤紧密排列成规则的M行、N列的矩形形状，并与所述成像透镜连接；光纤束的另一端按行或列分开形成复数个线光纤束，并与所述线阵CCD连接。

进一步地，所述线阵CCD的像素数大于或者等于所述光纤束的光纤数目。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的闪电监测设备首先将空域光信号进行光电转换，再将转换后的电信号进行判断。若判断为闪电，则发送触发信号，自动获取闪电的发生时刻，从而实现了对闪电的监测。本发明还利用光学成像及光纤束成像技术，结合高速多通道同步采集技术，实现了在微秒或亚微秒量级对高速闪电图像的采集。本发明结构合理、效果显著、实用性强。

附图说明

图1为本发明实施例提供的闪电监测设备的结构框图。

图2为本发明实施例提供的闪电监测设备中的光强采集模块的结构框图。

图3为本发明实施例提供的闪电监测设备中的图像获取模块的结构框图。

图4为本发明实施例提供的闪电监测设备中的信号分析模块的工作原理图。

具体实施方式

为进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的闪电监测设备的具体实施方式及工作原理进行详细说明。

由图1可知，本发明提供的闪电监测设备包括光强采集模块、信号分析模块、处理器、时钟模块及图像获取模块；光强采集模块、信号分析模块及处理器顺序连接。时钟模块与信号分析模块连接，图像获取模块分别与信号分析模块、处理器连接。由图2可知，光强采集模块包括：光电探测器、放大电路、模数转换电路、高通滤波电路及自动增益控制电路；光电探测器、高通滤波电路、放大电路、模数转换电路以及信号分析模块顺序连接。自动增益控制电路与放大电路、信号分析模块连接。由图3可知，图像获取模块包括：成像透镜、光纤束、线阵CCD及线阵CCD驱动装置；成像透镜通过光纤束与线阵CCD连接；具体的，光纤束的一端为复数根光纤紧密排列成规则的M行、N列的矩形形状，并与成像透镜连接；光纤束的另一端按行或列分开形成复数个线光纤束，并与线阵CCD连接，每一个线光纤束与其对应的线阵CCD紧密耦合。线阵CCD驱动装置同时与线阵CCD连接、信号分析模块及处理器连接。需要说明的是，线阵CCD的像素数大于或者等于光纤束的光纤数目。

信号分析模块包括：

第一存储单元，存储经模数转换电路转换后的连续的光强数据；

光强阈值判断单元，将第一存储单元中的连续存储的光强数据与光强阈值进行比较；

若连续的光强数据均大于或者等于光强阈值，则说明连续的光强信号均符合闪电先导光强变化特征，并继续对连续的光强信号进行上升速率的判断；

若在连续的光强信号中靠后的光强数据小于光强阈值或者连续的光强数据都小于光强阈值，则将连续的光强信号作为背景信号发送到自动增益控制电路中，并清空存储单元；

具体的，光强阈值的确定方法为：

设定背景信号为E’，闪电光强阈值F=n*E’，n为数值大于1的光强阈值系数。作为示例，n可以取为2。若光强信号A小于阈值F，且取m个数据进行输入数据进行背景计算，则新背景E₀=E’+（A-E’）x1/m，其中m大于2，在本实施例中，m=32，故闪电的光强阈值是会随背景信号的更新而更新的；若光强信号A大于或者等于阈值F，则阈值触发成功，背景生成停止，否则，按上述规则不断更新背景信号。

上升斜率判断单元，根据光强阈值判断单元的判断结果选择是否对光强信号的上升斜率进行判断；

若由光强阈值判断单元判断的连续的光强信号符合闪电先导光强变化特征，则对的连续的光强信号之间的上升斜率进行判断；具体方法为：先取出至少6个连续的光强信号，再以至少每3个连续的光强信号为一组对取出的连续的光强信号进行分组；接着对每组中的每2个连续的光强信号之间的上升斜率进行判断；若每组中每2个连续的光强信号之间的上升斜率均大于或者等于1/8，则说明取出的连续的光强信号符合闪电信号的上升斜率特征，即取出的连续的光强信号为闪电信号；并将闪电信号传输存储；

若取出的连续的光强信号不符合闪电信号的上升斜率特征，则将取出的连续的光强信号作为背景信号发送到自动增益控制电路，并清空存储单元。

计时判断单元，对上升斜率的判断时间进行判断；若上升斜率判断单元的判断时间符合闪电信号的判断时间的要求，则说明由上升斜率判断单元得到的判断结果可用，否则判断结果不可用。

第二存储单元，对闪电信号进行存储，并将触发信号分别发送到时钟模块、第一存储单元及图像获取模块；

计算单元，对光强信号进行背景计算。

在本实施例中，第一存储单元为FIFO存储器，第二存储单元为SRAM。

本发明提供的闪电监测设备在工作时，首先由高灵敏度的光电探测器感测空域范围内的光强，并将空域光强信号转化为电信号。再将转化后的电信号传送到放大电路。对于地基监测，存在各种各样的低频环境光干扰，故在电信号由光电探测器到放大电路的传输过程中，需要采用高通滤波电路对背景光进行滤除。由于闪电光强的动态范围很大，故采用自动增益控制电路调整放大电路的放大参数，扩展监测光的动态范围，以提高监测精度。经滤波、放大的电信号再经模数转换电路进行模数转化，再将转化后的数据送给信号分析模块。由图4可知，信号分析模块首先将经转换后的数字信号缓存在FPAG片内的FIFO存储器中，并通过光强阈值判断单元、上升斜率判断单元及计时判断单元分别对其光强阈值、上升斜率及上升斜率的判断时间进行判断。如果判断不是闪电信号，则通过计算单元将其作为背景信号计算；并清空FIFO存储器里的数据。将计算出的背景信号作为自动增益控制的控制参数进行增益调整，动态调整前端电路中的放大电路的放大倍数。如果判断确定是闪电信号，则将信号缓存在FPGA片外的SRAM内，同时给出一个判断确认是闪电的触发信号到FIFO存储器。FIFO存储器将闪电脉冲数据记录下来，并传送到处理器。信号分析模块还输出一个计时触发信号到时钟模块。时钟模块接收到计时触发信号通过GPS或北斗方式获取准确的闪电发生时刻，并通过信号分析模块将闪电发生时刻传送到处理器。此外，信号分析模块还向图像获取模块传输触发信号，图像获取模块接收到该触发信号开始记录闪电图像，并将闪电图像传送到处理器。处理器将接收到的闪电脉冲数据、闪电发生时刻及闪电图像上传到中心站进行其他处理。

本发明提供的闪电监测设备首先对空域光信号进行光电转换，再对转换后的电信号进行判断。若判断为闪电，则发送触发信号，自动获取闪电发生时刻，从而实现了对闪电的监测。同时，本发明在保证空间分辨率的前提下，在光纤束一端进行成像，并经光纤束传送闪电图像信号，在光纤束另一端对其按成像的行或列进行划分，利用高速CCD线阵对各行/列光信号进行读取，从而实现了高于微秒级的高时间分辨率的闪电拍摄。线阵CCD相对于分离光电探测器件而言，具有更高空间分辨率，且易于和光纤束进行耦合。本发明结构合理、效果显著、实用性强。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种闪电监测设备，其特征在于，包括：光强采集模块和信号分析模块；所述光强采集模块和所述信号分析模块连接；还包括：图像获取模块；所述图像获取模块与所述信号分析模块连接；其中，所述光强采集模块包括：光电探测器、高通滤波电路、放大电路及模数转换电路；所述光电探测器、所述高通滤波电路、所述放大电路、所述模数转换电路及所述信号分析模块顺序连接；所述光强采集模块还包括：自动增益控制电路；所述自动增益控制电路与所述放大电路、所述信号分析模块连接；所述信号分析模块包括：

第二存储单元，对闪电信号进行存储，并将触发信号分别发送到第一存储单元和所述图像获取模块；其中，闪电的光强阈值是会随背景信号的更新而更新；

具体地，所述信号分析模块还包括：

计时判断单元，对所述上升斜率判断单元的判断时间进行判断；若上升斜率判断单元的判断时间符合闪电信号的判断时间的要求，则说明由上升斜率判断单元得到的判断结果可用，否则判断结果不可用；

光强阈值判断单元、上升斜率判断单元及计时判断单元分别对其光强阈值、上升斜率及上升斜率的判断时间进行判断。

2.如权利要求1所述的闪电监测设备，其特征在于，所述信号分析模块还包括：

计算单元，对所述光强信号进行背景计算。

3.如权利要求1所述的闪电监测设备，其特征在于，所述图像获取模块包括：成像透镜、光纤束、线阵CCD及线阵CCD驱动装置；所述成像透镜通过所述光纤束与所述线阵CCD连接，所述线阵CCD驱动装置同时与线阵CCD连接、所述信号分析模块连接。

4.如权利要求3所述的闪电监测设备，其特征在于，所述光纤束的一端为复数根光纤紧密排列成规则的M行、N列的矩形形状，并与所述成像透镜连接；光纤束的另一端按行或列分开形成复数个线光纤束，并与所述线阵CCD连接。

5.如权利要求4所述的闪电监测设备，其特征在于，所述线阵CCD的像素数大于或者等于所述光纤束的光纤数目。