CN107091957B - 一种雷电监测定位系统及其定位方法 - Google Patents

一种雷电监测定位系统及其定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种雷电监测定位系统及其定位方法，所述系统包括电场天线、磁场线圈、GPS天线、采样触发电路、电压跟随器阻抗匹配电路、全差分驱动电路、AD采样电路、FPGA模块、DSP处理器和显示模块。电场天线采集电场信号，磁场线圈采集磁场信号，采样触发电路根据磁场信号产生采样触发脉冲并输入FPGA模块，FPGA模块接收到触发脉冲后驱动AD采样电路采样电场信号和磁场信号，并送入FPGA模块，同时FPGA模块接收GPS天线采集的位置信息，DSP处理器根据接收到的信号进行雷电监测定位。本发明提升了处理数据的速度和精度，满足了雷电监测定位的实时性要求。

Description

一种雷电监测定位系统及其定位方法
技术领域
本发明属于雷电监测技术领域，特别涉及了一种雷电监测定位系统及其定位方法。
背景技术
单站式雷电监测定位系统指的是只利用一个雷电监测站点，来监测雷电放电参数和定位闪电位置的雷电监测系统。主要采用方法是接收云地闪回击过程中所辐射出来的低频电磁波，通过对该频段电磁波分析处理来实现雷电监测定位，在工程上，这个理论的主要实现方法有频谱法、振幅法以及将二者结合的振幅频谱混合法。
雷电发生的电磁信息具有瞬发性，因此如何高效的采集和处理电磁信号，是该雷电定位设备设计成功与否的关键。但现有的雷电监测系统处理数据速度和精度不够，从而无法满足雷电监测定位的实时性要求。
发明内容
为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种雷电监测定位系统及其定位方法，提升了处理数据的速度和精度，满足雷电监测定位的实时性要求。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种雷电监测定位系统，包括电场天线、磁场线圈、GPS天线、采样触发电路、电压跟随器阻抗匹配电路、全差分驱动电路、AD采样电路、FPGA模块、DSP处理器和显示模块；所述电场天线采集电场信号，磁场线圈采集磁场信号，采样触发电路根据采集到的瞬时磁场信号，产生采样触发脉冲并输入FPGA模块，FPGA模块接收到采样触发脉冲后驱动AD采样电路采样电场信号和磁场信号，此时电场天线和磁场线圈将采集到的电场信号和磁场信号依次经电压跟随器阻抗匹配电路、全差分驱动电路、AD采样电路后送入FPGA模块，同时FPGA模块接收GPS天线采集的位置信息，FPGA模块再将接收到的电场信号、磁场信号、位置信息传送给DSP处理器，DSP处理器根据电场信号和磁场信号判断是否为闪电，并对闪电进行定向和定距计算，最终将结果上传至显示模块进行显示。
基于上述技术方案的优选方案，所述电压跟随器阻抗匹配电路采用AD8027芯片。
基于上述技术方案的优选方案，所述全差分驱动电路采用ADA4932芯片。
基于上述技术方案的优选方案，所述AD采样电路采用AD7626芯片。
基于上述技术方案的优选方案，所述FPGA模块采用EP4CE22U14A6N芯片，DSP处理器采用TMS320C6455。
本发明还包括基于上述雷电监测定位系统的雷电定位方法，所述磁场线圈采集4路磁场信号，分别为磁场1高灵敏度信号、磁场1低灵敏度信号、磁场2高灵敏度信号和磁场2低灵敏度信号；所述雷电定位方法包括采样触发算法、波形鉴别算法、定向算法和定距算法。
进一步地，所述采样触发算法为，采样触发电路计算磁场1高灵敏度信号与磁场2高灵敏度信号的绝对值和，若该绝对值和大于设定的阈值时，采样触发电路产生峰值典型值为3.4V、持续时间为0.7ms的采样触发脉冲送给FPGA模块，FPGA模块接收到该采样触发脉冲后，产生中断，启动AD采样电路采集电场信号和磁场信号。
进一步地，所述波形鉴别算法如下：
(1)电场信号和磁场信号10％～90％上升时间为1us～10us，则说明是闪电波形；
(2)电场信号和磁场信号半峰值脉冲宽度大于15us，则说明是闪电波形；
(3)磁场信号主峰后3～40us内超过主峰幅度的120％，则说明不是闪电波形；
(4)电场信号主峰前60us内的反极性脉冲，其幅度大于主峰25％，则说明不是闪电波形；
(5)电场信号主峰后3～40us内的反极性脉冲，其幅度大于主峰10％，则说明不是闪电波形；
磁场信号分为高、低灵敏度两对信号：一对是磁场1高灵敏度信号和磁场2高灵敏度信号，另一对是磁场1低灵敏度信号和磁场2低灵敏度信号，在这两对磁场信号中首先选择未发生饱和的一对磁场信号代入上述判断规则。
进一步地，所述定向算法的过程如下：
(a)当判断是闪电之后，在两对磁场信号中选择未发生饱和且幅度较大的一对磁场信号B1、B2；
(b)寻找B1、B2的主峰幅度B1max、B2max；
(c)计算方向角度
(d)若电场信号的主峰幅度为负数，则方向角度θ’＝θ+π。
进一步地，所述定向算法的过程如下：
(ⅰ)选取电场信号E、未发生饱和并且幅度较大的一对磁场信号B1和B2作为待处理信号；
(ⅱ)选取B1和B2中幅度较大者，记为Bi作为分析信号；
(ⅲ)将E和Bi两路信号补零到2048点，做快速傅里叶变换，形成频率分辨率为976.56Hz的相位谱；
(ⅳ)提取f0＝976.56Hz、f1＝1.953kHz、f2＝3.906kHz的相位φBi(f0)、φBi(f1)、φBi(f2)和φE(f0)、φE(f1)、φE(f2)，求三个频点的相位差：
(ⅴ)(A)若Δφ(f0)<0，则距离r>100km，否则转入步骤(B)；
(B)若Δφ(f1)<0，则50km<r≤100km，且r＝F(Δφ(f0))，否则转入步骤(C)；
(C)若Δφ(f2)<0，则25km<r≤50km，且r＝[F(Δφ(f0))+F(Δφ(f1))]/2，否则转入步骤(D)；
(D)r≤25km，且r＝[F(Δφ(f0))+F(Δφ(f1))+F(Δφ(f2))]/3；
其中，F(*)表示傅里叶逆变换。
采用上述技术方案带来的有益效果：
本发明采用全差分驱动电路来驱动AD采样电路，最大限度提升AD采样电路的高频输入信号性能；根据模块化的设计思想，采用DSP+FPGA的结构，FPGA具有很多逻辑处理资源，编程灵活，作为协处理器负责缓存、预处理、控制等操作，使处理算法灵活的DSP负责主要的运算工作，以提高系统的实时性。
附图说明
图1是本发明的系统组成框图；
图2是本发明中电压跟随器阻抗匹配电路图；
图3是本发明中全差分驱动电路图；
图4是本发明中AD采样电路。
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。
如图1所示，一种雷电监测定位系统，包括电场天线、磁场线圈、GPS天线、采样触发电路、电压跟随器阻抗匹配电路、全差分驱动电路、AD采样电路、FPGA模块、DSP处理器和显示模块；所述电场天线采集电场信号，磁场线圈采集磁场信号，采样触发电路根据采集到的瞬时磁场信号，产生采样触发脉冲并输入FPGA模块，FPGA模块接收到采样触发脉冲后驱动AD采样电路采样电场信号和磁场信号，此时电场天线和磁场线圈将采集到的电场信号和磁场信号依次经电压跟随器阻抗匹配电路、全差分驱动电路、AD采样电路后送入FPGA模块，同时FPGA模块接收GPS天线采集的位置信息，FPGA模块再将接收到的电场信号、磁场信号、位置信息传送给DSP处理器，DSP处理器根据电场信号和磁场信号判断是否为闪电，并对闪电进行定向和定距计算，最终将结果上传至显示模块进行显示。
在本实施例中，电压跟随器阻抗匹配电路采用AD8027芯片。如图2所示，AD8027是具有轨到轨输入和输出的高速放大器，工作电压低，并专门针对高性能和宽动态信号范围进行了优化。具有低噪声(4.3nV/MHz、1.6pA/MHz)和低失真(1MHz时120dBc)特性。该采样电路要求输入动态范围宽且具有低失真的特性，AD8027可以满足性能要求。
在本实施例中，全差分驱动电路采用ADA4932芯片。如图3所示，该电路采用低功耗差分放大器ADA4932-1来驱动ADC，最大限度提升AD7626的高频输入信号性能，ADA4932-1具有低失真(10MHz时100dB SFDR)、快速建立时间(9ns达到0.1％)、高带宽(560MHz，-3dB，G＝1)和低电流(9.6mA)等特性，设定所需的输出共模电压为2.048V。在电路中，对应于4.096V的内部基准电压，AD7626的输出共模电压(VCM引脚)为2.048V，每个输入(IN+、IN-)在0V和+4.096V之间摆幅，发生180°错相，这提供了ADC的8.2V满量程差分输入。对于线性运算的每个电源电压，ADA4932-1输出级需要大约1.4V的裕量。当电源电压关于共模电压大致对称时，能获得最佳失真性能。如果选定-2.5V负电源，则至少需要大约+6.5V正电源才能关于2.048V共模电压对称。
在本实施例中，AD采样电路采用AD7626芯片。如图4所示，AD7626具有突破业界标准的动态性能，在10MSPS下信噪比为91.5dB，实现16位INL性能，无延迟，LVDS接口，功耗仅有136mW。AD7626使用SAR架构，主要特性是能够以10MSPS无延迟采样，不会发生流水线式ADC常有的“流水线延迟”，同时具备出色的线性度。当驱动AD7626(带开关电容输入的10MSPS ADC)的高频输入时，ADA4932-1和AD7626的IN+和IN-引脚之间的电阻和电容电路可充当低通噪声滤波器。该滤波器限制了AD7626的输入带宽，但其主要功能是优化驱动放大器和AD7626之间的接口。串联电阻将驱动放大器与ADC开关电容器前端的高频开关尖峰隔离。
在本实施例中，FPGA模块采用EP4CE22U14A6N芯片，DSP处理器采用TMS320C6455。采用DSP+FPGA的结构，高速数据处理的算法运算量大、实时性高，TMS320C6455主要完成数据的缓存、FFT变换、相位差求取、波形鉴别、距离计算等功能；由于有多路AD信号输入，TMS320C6455不能提供足够的驱动引脚，因此添加了FPGA芯片EP4CE22U14A6N，FPGA具有很多逻辑处理资源，编程灵活，作为协处理器负责缓存、预处理、控制等操作，使处理算法灵活的DSP负责主要的运算工作，以提高系统的实时性。
本发明还提出了一种基于上述雷电监测定位系统的雷电定位方法，具体过程如下：
磁场线圈采集4路磁场信号，分别为磁场1高灵敏度信号、磁场1低灵敏度信号、磁场2高灵敏度信号和磁场2低灵敏度信号。雷电定位方法包括采样触发算法、波形鉴别算法、定向算法和定距算法。
采样触发算法，采样触发电路计算磁场1高灵敏度信号与磁场2高灵敏度信号的绝对值和，若该绝对值和大于设定的阈值时，采样触发电路产生峰值典型值为3.4V、持续时间为0.7ms的采样触发脉冲送给FPGA模块，FPGA模块接收到该采样触发脉冲后，产生中断，启动AD采样电路采集电场信号和磁场信号。
波形鉴别算法如下：
(1)电场信号和磁场信号10％～90％上升时间为1us～10us，则说明是闪电波形；
(2)电场信号和磁场信号半峰值脉冲宽度大于15us，则说明是闪电波形；
(3)磁场信号主峰后3～40us内超过主峰幅度的120％，则说明不是闪电波形；
(4)电场信号主峰前60us内的反极性脉冲，其幅度大于主峰25％，则说明不是闪电波形；
(5)电场信号主峰后3～40us内的反极性脉冲，其幅度大于主峰10％，则说明不是闪电波形。
磁场信号分为高、低灵敏度两对信号：一对是磁场1高灵敏度信号和磁场2高灵敏度信号，另一对是磁场1低灵敏度信号和磁场2低灵敏度信号，在这两对磁场信号中首先选择未发生饱和的一对磁场信号代入上述判断规则。
定向算法的过程如下：
(a)当判断是闪电之后，在两对磁场信号中选择未发生饱和且幅度较大的一对磁场信号B1、B2；
(b)寻找B1、B2的主峰幅度B1max、B2max；
(c)计算方向角度
(d)若电场信号的主峰幅度为负数，则方向角度θ’＝θ+π。
定向算法的过程如下：
(ⅰ)选取电场信号E、未发生饱和并且幅度较大的一对磁场信号B1和B2作为待处理信号；
(ⅱ)选取B1和B2中幅度较大者，记为Bi作为分析信号；
(ⅲ)将E和Bi两路信号补零到2048点，做快速傅里叶变换，形成频率分辨率为976.56Hz的相位谱；
(ⅳ)提取f0＝976.56Hz、f1＝1.953kHz、f2＝3.906kHz的相位φBi(f0)、φBi(f1)、φBi(f2)和φE(f0)、φE(f1)、φE(f2)，求三个频点的相位差：
(ⅴ)(A)若Δφ(f0)<0，则距离r>100km，否则转入步骤(B)；
(B)若Δφ(f1)<0，则50km<r≤100km，且r＝F(Δφ(f0))，否则转入步骤(C)；
(C)若Δφ(f2)<0，则25km<r≤50km，且r＝[F(Δφ(f0))+F(Δφ(f1))]/2，否则转入步骤(D)；
(D)r≤25km，且r＝[F(Δφ(f0))+F(Δφ(f1))+F(Δφ(f2))]/3；
其中，F(*)表示傅里叶逆变换。
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 (5)

1.基于雷电监测定位系统的雷电定位方法，所述雷电监测定位系统包括电场天线、磁场线圈、GPS天线、采样触发电路、电压跟随器阻抗匹配电路、全差分驱动电路、AD采样电路、FPGA模块、DSP处理器和显示模块；所述电场天线采集电场信号，磁场线圈采集磁场信号，采样触发电路根据采集到的瞬时磁场信号，产生采样触发脉冲并输入FPGA模块，FPGA模块接收到采样触发脉冲后驱动AD采样电路采样电场信号和磁场信号，此时电场天线和磁场线圈将采集到的电场信号和磁场信号依次经电压跟随器阻抗匹配电路、全差分驱动电路、AD采样电路后送入FPGA模块，同时FPGA模块接收GPS天线采集的位置信息，FPGA模块再将接收到的电场信号、磁场信号、位置信息传送给DSP处理器，DSP处理器根据电场信号和磁场信号判断是否为闪电，并对闪电进行定向和定距计算，最终将结果上传至显示模块进行显示；
其特征在于：磁场线圈采集4路磁场信号，分别为磁场1高灵敏度信号、磁场1低灵敏度信号、磁场2高灵敏度信号和磁场2低灵敏度信号；所述雷电定位方法包括采样触发算法、波形鉴别算法、定向算法和定距算法；
所述采样触发算法为，采样触发电路计算磁场1高灵敏度信号与磁场2高灵敏度信号的绝对值和，若该绝对值和大于设定的阈值时，采样触发电路产生峰值典型值为3.4V、持续时间为0.7ms的采样触发脉冲送给FPGA模块，FPGA模块接收到该采样触发脉冲后，产生中断，启动AD采样电路采集电场信号和磁场信号；
所述波形鉴别算法如下：
(1)电场信号和磁场信号10％～90％上升时间为1us～10us，则说明是闪电波形；
(2)电场信号和磁场信号半峰值脉冲宽度大于15us，则说明是闪电波形；
(3)磁场信号主峰后3～40us内超过主峰幅度的120％，则说明不是闪电波形；
(4)电场信号主峰前60us内的反极性脉冲，其幅度大于主峰25％，则说明不是闪电波形；
(5)电场信号主峰后3～40us内的反极性脉冲，其幅度大于主峰10％，则说明不是闪电波形；
磁场信号分为高、低灵敏度两对信号：一对是磁场1高灵敏度信号和磁场2高灵敏度信号，另一对是磁场1低灵敏度信号和磁场2低灵敏度信号，在这两对磁场信号中首先选择未发生饱和的一对磁场信号代入上述波形鉴别算法；
所述定向算法的过程如下：
(a)当判断是闪电之后，在两对磁场信号中选择未发生饱和且幅度较大的一对磁场信号B1、B2；
(b)寻找B1、B2的主峰幅度B1max、B2max；
(c)计算方向角度
(d)若电场信号的主峰幅度为负数，则更新方向角度θ’＝θ+π；
所述定距算法的过程如下：
(ⅰ)选取电场信号E、未发生饱和并且幅度较大的一对磁场信号B1和B2作为待处理信号；
(ⅱ)选取B1和B2中幅度较大者，记为Bi作为分析信号；
(ⅲ)将E和Bi两路信号补零到2048点，做快速傅里叶变换，形成频率分辨率为976.56Hz的相位谱；
(ⅳ)提取f0＝976.56Hz、f1＝1.953kHz、f2＝3.906kHz的相位φBi(f0)、φBi(f1)、φBi(f2)和φE(f0)、φE(f1)、φE(f2)，求三个频点的相位差：
(ⅴ)(A)若Δφ(f0)<0，则距离r>100km，否则转入步骤(B)；
(B)若Δφ(f1)<0，则50km<r≤100km，且r＝F(Δφ(f0))，否则转入步骤(C)；
(C)若Δφ(f2)<0，则25km<r≤50km，且r＝[F(Δφ(f0))+F(Δφ(f1))]/2，否则转入步骤(D)；
(D)r≤25km，且r＝[F(Δφ(f0))+F(Δφ(f1))+F(Δφ(f2))]/3；
其中，F(*)表示傅里叶逆变换。
2.根据权利要求1所述雷电定位方法，其特征在于：所述电压跟随器阻抗匹配电路采用AD8027芯片。
3.根据权利要求1所述雷电定位方法，其特征在于：所述全差分驱动电路采用ADA4932芯片。
4.根据权利要求1所述雷电定位方法，其特征在于：所述AD采样电路采用AD7626芯片。
5.根据权利要求1所述雷电定位方法，其特征在于：所述FPGA模块采用EP4CE22U14A6N芯片，DSP处理器采用TMS320C6455。
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