CN105467225A - 一种感应式雷电预警装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种感应式雷电预警装置及方法，该感应式雷电预警装置包括雷电感应探头和控制箱，其中，控制箱包括微处理器、电源和GPS北斗双星模块，微处理器分别与GPS北斗双星模块、电源和雷电感应探头电连接，且微处理器与远端主机通信连接。本发明实施例提供的感应式雷电预警装置，在现有技术的基础上，通过设置雷电感应探头和GPS北斗双星模块，能及时感应静电场的变化并与雷电定位系统进行时钟同步，提高了雷电预警的准确性，另外，预警装置本身不带有存储功能，将对雷电的监测数据都存置于远端主机，可以长时间连续监测地面电场，对雷暴云的初生阶段、成熟阶段和消散阶段进行全程记录，能有效提高对雷电数据的获取效率。

Description

一种感应式雷电预警装置及方法

技术领域

本发明涉及雷电预警领域，特别是涉及一种感应式雷电预警装置及方法。

背景技术

近年来，雷电灾害作为自然界中影响人类活动的重要灾害，已经被联合国列为“最严重的十种自然灾害之一”。雷电灾害可引起森林和油库火灾，造成供电、通讯信息系统故障或损坏，对航空航天、采矿等产业的一些重要而敏感的高科技装备产生重大威胁，也常常造成人员伤亡。另外，由于雷电成灾迅速，且雷电发生的时间和空间具有很大的随机性，从而对其的研究、预警和防治带来了极大的困难。

现有技术中，雷电预警技术主要是依靠电场仪来监测大气静电场的变化。电场仪实时监测大气电场值，并送达计算机进行结果分析。当计算机计算出的大气电场值大于预设值时，发出报警信息，以此完成预报雷电活动。利用电场仪预测雷电活动，具有操作简单、成本低的优点。

然而，电场仪所在当地的地形、地质、空气潮湿度、雷暴云的移动速度、雷暴云的大小或体积、当天的风速等等都会对雷暴云对地放电造成影响，也就是说同样大小的电场值在不同地方或不同时候可能产生雷击，也可能不产生雷击，因此单一的比较电场值的大小来预警雷电的准确率比较低。另外，电场仪由于自身带有数据的存储装置，容量有限，只能对雷电在短时间内进行监测，而不是雷电发生的整个过程，因此，利用现有技术对雷电进行监测还存在对雷电数据获取率低的问题。

发明内容

本发明实施例中提供了一种感应式雷电预警装置及方法，以解决现有技术中应用电场仪进行雷电预警时，准确率低及对雷电数据获取率低的问题。

为了解决上述技术问题，本发明实施例公开了如下技术方案：

本发明实施例提供的感应式雷电预警装置，包括雷电感应探头和控制箱，其中，雷电感应探头包括依次串联连接的雷电传感器、I/V转换器、第一差分放大器、高通滤波器、第一低通滤波器、相敏检波器、第二低通滤波器、第二差分放大器和A/D转换器，雷电传感器与直流电机电连接；控制箱包括微处理器、电源和GPS北斗双星模块，微处理器分别与GPS北斗双星模块、电源和A/D转换器电连接，且微处理器与远端主机通信连接。

优选的，雷电传感器为MEMS传感器和/或感应式传感器。

优选的，雷电传感器包括MEMS传感器和感应式传感器，且MEMS传感器与感应式传感器组成双热备模式。

优选的，与雷电传感器电连接的直流电机为无刷直流电机。

优选的，本发明实施例公开的感应式雷电预警装置，还包括光电开关和调速模块，其中，光电开关分别与相敏检波器和微处理器电连接，调速模块串接在微处理器和直流电机之间。

优选的，控制箱还包括通信模块，通信模块与微处理器电连接，微处理器通过通信模块与远端主机进行通信连接。

优选的，微处理器与通信模块之间还设置有光电耦合器，光电耦合器分别与微处理器和通信模块电连接。

本发明实施例提供的一种感应式雷电预警方法，包括以下步骤：雷电感应探头获取并处理大气的静电场信号，将处理后的静电场信号发送至微处理器；根据静电场信号，微处理器计算静电场的幅值并判断极性；微处理器获取GPS北斗双星模块中的时间信息和坐标信息；微处理器将幅值、极性、时间信息和坐标信息分别发送至远端主机，以使远端主机根据幅值、具体极性、时间信息和坐标信息判断是否预警。

由以上技术方案可见，本发明实施例提供的感应式雷电预警装置，在现有技术的基础上，通过设置雷电感应探头和GPS北斗双星模块，能及时感应静电场的变化并与雷电定位系统进行时钟同步，可提高雷电预警的准确性，另外，雷电感应探头本身不带有存储功能，因此该雷电感应探头对雷电的监测数据都存置于远端主机，可长时间连续监测地面电场，对雷暴云的初生阶段、成熟阶段和消散阶段进行全程记录，有效提高对雷电数据的获取效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种感应式雷电预警装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种感应式雷电预警装置雷电感应探头的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种感应式雷电预警装置控制箱的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种感应式雷电预警方法的流程示意图。

符号表示为：

11-雷电感应探头，12-控制箱。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

参见图1，为本发明实施例提供的一种感应式雷电预警装置的结构示意图。本发明实施例公开了一种感应式雷电预警装置，包括雷电感应探头11和控制箱12两部分。其中，雷电感应探头11，感应雷暴云初生时的大气静电场信号，对该静电场信号进行放大并滤除杂波处理，随后将处理过的信号发送到控制箱12。控制箱12计算静电场的幅值同时进行正、负极性的判断，并获取GPS双星北斗模块测得的时间信息和坐标信息，再将静电场的幅值、极性、时间信息及坐标信息发送至远端主机，最终由远端主机进行判断是否需要进行雷电预警。

参见图2，为本发明实施例提供的一种感应式雷电预警装置雷电感应探头的结构示意图。本发明实施例公开的雷电感应探头11主要包括依次串联连接的雷电传感器、I/V转换器、第一差分放大器、高通滤波器、第一低通滤波器、相敏检波器、第二低通滤波器、第二差分放大器和A/D转换器，其中，雷电传感器与直流电机电连接，以实现电机对雷电传感器的直接供电，该直流电机可以是无刷直流电机。

雷电传感器输出的静电场信号在I/V转换器内进行电流与电压之间的转换。I/V转换器输出的电压信号，经第一差分电路放大后，再通过高通滤波器和第一低通滤波器滤除杂波，后经相敏检波器，将调幅波还原为原始信号波形，并完成对信号相位的鉴别。第二差分放大器为二级差分放大器，对相敏检波后的信号进行再次放大，最终将放大后的信号发送至A/D转换器，进行采样。经过上述一系列过程，完成对大气静电场信号在雷电感应探头11内部的处理并将经过雷电感应探头11处理后的大气静电场信号发送到控制箱12。

进一步地，本发明公开的感应式雷电预警装置中的雷电传感器可以为MEMS(Micro-electroMechanicalSystems，微机电系统)传感器或感应式传感器，也可以是同时设置的MEMS传感器和感应式传感器，其中，为了能够更好地感应雷电信号，确保感应雷电信号的稳定性及可靠性，同时设置的MEMS传感器和感应式传感器还可以共同设置为双热备模式。

参见图3，为本发明实施例提供的一种感应式雷电预警装置控制箱的结构示意图。本发明公开的控制箱12主要包括微处理器、电源和GPS北斗双星模块，其中，微处理器分别与该电源、GPS北斗双星模块和A/D转换器电连接，且微处理器与远端主机之间通信连接。微处理器接收雷电感应探头发送的静电场信号,计算静电场信号的幅值并判断正负极性。另外,微处理器还通过发送控制指令，设置GPS北斗双星模块的工作模式和控制参数，从而使GPS北斗双星模块能够与远端主机保持时钟同步，提高对雷电预警的准确性。最终,微处理器将该静电场信号的幅值、极性以及从GPS北斗双星模块获取的时间信息和位置信息发送到远端主机处。远端主机为雷电预警的中心站，负责综合处理由控制箱12发送来的静电场信号，判断是否进行雷电预警。如可以利用控制箱12发送的大气电场的幅值和极性，与预置的雷电阈值进行比较，如果大于该雷电阈值，则判定需要进行雷电预警，进而结合时间信息和坐标信息发出预警信息。当然，远端主机判定是否需要进行雷电预警的方法，并不以此为限，可根据具体要求的不同而有所变化，在此不再详细赘述。

为了能更好地调节直流电机转速，本发明实施例提供的感应式雷电预警装置还可以引入调速反馈环节，主要包括光电开关和调速模块，其中，该光电开关与直流电机对应设置，通过感应电机转动过程中叶片间光的明暗变化，来测定电机转速。

此外，该光电开关还分别与相敏检波器和微处理器电连接，该调速模块则串接在该微处理器和直流电机之间。这样由光电开关检测直流电机转速，并利用同步脉冲，将测定的电机转速实时传递给微处理器，微处理器再根据收到的电机转速信号通过调速模块，实现对直流电机转速的调节。

进一步地，控制箱12还设置有通信模块，该通信模块设置在微处理器与远端主机之间、并与该微处理器电连接。该通信模块为可以同时支持RS485和GPRS两种通信方式的电路，便于本实施例提供的感应式雷电预警装置在不同环境下进行安装，以实现与远端主机之间更好地进行通信连接。由于同时支持RS485和GPRS两种通信方式的电路是为本领域技术人员所公知的，因此，该通信模块的具体电路连接关系在此不再赘述。

还可以在该通信模块与微处理器之间设置光电耦合器，该光电耦合器分别与该通信模块和微处理器电连接，用于在由雷电预警装置向远端主机发送雷电信息时，能够更好地隔离干扰，提高传输效率。

本发明实施例公开的感应式雷电预警装置中，雷电感应探头本身不具有存储功能，通过将探测到的雷电数据信息通过控制箱发送给远端主机，不占用自身容量空间，可以实现长时间连续监测地面电场，对雷暴云的初生阶段、成熟阶段和消散阶段实现全程记录，提高了对雷暴的数据获取率；另外，与远端主机连接，方便对感应式雷电预警装置内置的主程序代码实现在线升级，可以满足不同应用环境对雷电预警装置的要求，扩大了雷电预警装置的适用范围；同时，整体采用模块化设计，各功能模块相互独立，便于装配、调试和维修，适用在一定范围内，多个该感应式雷电预警装置同时安装，用以监测该区域内的雷暴活动情况，覆盖范围广且精度更高。

参见图4，为本发明实施例提供的一种感应式雷电预警方法的流程示意图。本发明实施例公开的感应式雷电预警方法，应用于本发明实施例一提供的感应式雷电预警装置，包括以下步骤：

步骤S11：雷电感应探头获取并处理大气的静电场信号，将处理后的静电场信号发送至微处理器。雷电传感器感应大气的静电场信号，并将测得的静电场信号依次经过I/V转换器、第一差分放大器、高通滤波器、第一低通滤波器、相敏检波器、第二低通滤波器、第二差分放大器和A/D转换器，对该静电场信号进行放大、滤波和采样，将经处理后的静电场信号发送至微处理器。

步骤S12：根据接收的静电场信号，微处理器计算静电场的幅值并判断极性。

步骤S13：微处理器获取GPS北斗双星模块中的时间信息和坐标信息。

步骤S14：微处理器将幅值、极性、时间信息和坐标信息分别发送至远端主机，以使远端主机根据该幅值、极性、时间信息和坐标信息判断是否预警。远端主机为雷电预警的中心站，负责综合由控制箱12发送来的静电场信号，判断是否进行雷电预警。在判断时，具体可以采取如利用控制箱12发送的大气电场的幅值和具体极性，与预置的雷电阈值进行比较，如果大于该雷电阈值，则判定需要进行雷电预警，进而结合时间信息和坐标信息发出预警。当然，对于远端主机判定是否需要进行雷电预警时，并不以此为限，可根据具体要求的不同而有所变化，在此不再详细赘述。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另一个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”，意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种感应式雷电预警装置，其特征在于，包括雷电感应探头(11)和控制箱(12)，其中，

所述雷电感应探头(11)包括依次串联连接的雷电传感器、I/V转换器、第一差分放大器、高通滤波器、第一低通滤波器、相敏检波器、第二低通滤波器、第二差分放大器和A/D转换器，所述雷电传感器与直流电机电连接；

所述控制箱(12)包括微处理器、电源和GPS北斗双星模块，所述微处理器分别与所述GPS北斗双星模块、所述电源和所述A/D转换器电连接，且所述微处理器与远端主机通信连接。

2.根据权利要求1所述的感应式雷电预警装置，其特征在于，所述雷电传感器为MEMS传感器和/或感应式传感器。

3.根据权利要求1所述的感应式雷电预警装置，其特征在于，所述雷电传感器包括MEMS传感器和感应式传感器，且所述MEMS传感器与所述感应式传感器组成双热备模式。

4.根据权利要求1所述的感应式雷电预警装置，其特征在于，所述直流电机为无刷直流电机。

5.根据权利要求1所述的感应式雷电预警装置，其特征在于，还包括光电开关和调速模块，所述光电开关分别与所述相敏检波器和所述微处理器电连接，所述调速模块串接在所述微处理器和所述直流电机之间。

6.根据权利要求1所述的感应式雷电预警装置，其特征在于，所述控制箱(12)还包括通信模块，所述通信模块与所述微处理器电连接，所述微处理器通过所述通信模块与远端主机通信连接。

7.根据权利要求6所述的感应式雷电预警装置，其特征在于，所述微处理器与所述通信模块之间还设置有光电耦合器，所述光电耦合器分别与所述微处理器和所述通信模块电连接。

8.一种感应式雷电预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

雷电感应探头获取并处理大气的静电场信号，将处理后的静电场信号发送至微处理器；

根据所述静电场信号，所述微处理器计算静电场的幅值并判断极性；

所述微处理器获取GPS北斗双星模块中的时间信息和坐标信息；

所述微处理器将所述幅值、极性、时间信息和坐标信息分别发送至远端主机，以使所述远端主机根据所述幅值、极性、时间信息和坐标信息判断是否预警。