CN112540237A - 一种实现单站雷电定向的大气电场仪及方法 - Google Patents

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CN112540237A CN202011477355.1A CN202011477355A CN112540237A CN 112540237 A CN112540237 A CN 112540237A CN 202011477355 A CN202011477355 A CN 202011477355A CN 112540237 A CN112540237 A CN 112540237A
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Abstract

一种实现单站雷电定向的大气电场仪及方法，包括：大气电场传感器的输出端通过导线与前置信号调理电路的输入端相连；电光转换模块的输入端通过导线与前置信号调理电路的输出端相连，电光转换模块的输出端通过全介质光缆与光电转换模块的输入端相连；光电转换模块的输出端通过导线与信息采集处理终端的输入端相连；信息采集处理终端将大气电场水平分量绝对强度之差和极性输出至雷电方向输出单元；可应用于野外机动目标的雷电临近预警和避雷路线规划；其电场差分探头、差分放大电路、光探测和信号调理一体化的电光‑光电转换模块及全介质光缆等的应用确保了其稳定可靠的运行。

Description

一种实现单站雷电定向的大气电场仪及方法
技术领域
本发明涉及大气电场仪技术领域，具体涉及一种实现单站雷电定向的大气电场仪及方法，可应用于雷暴强度和雷暴发生方向的判定，特别适合野外机动目标遭遇雷暴时的雷电预警以及避雷行进路线的规划，提高其在雷暴环境中的生存能力。
背景技术
大气中存在着电场，而地面带着负电，大气中含有净的正电荷，所以大气中时刻存在电场。大气电场的方向指向地面，强度随时间、地点、天气状况和离地面的高度而变。地面大气电场强度是研究大气电场变化的基本参数，在研究大气变化、雷暴和闪电发生发展过程中有深远的意义。大气电场仪根据金属在电场中产生感应电荷的原理，能够长时间连续地测量大气电场的强度和极性，适合在各种易起静电或易受静电危害的场所监测大气电场的变化，并提供雷电的临近预警信息。对于火箭发射场等固定目标而言，通过多个大气电场仪的多站组网布设，可以实现雷电的区域预警和发展方向预测。
然而，对于无组网基础的野外环境下的弹药运输车、导弹发射车、移动指挥放舱等机动目标而言，现有车载单站大气电场仪仅能实现雷暴的预警，无法提供雷电的发生方向，使得机动目标在计划驶离雷暴中心位置的过程中，往往反而出现误入雷暴中心的现象，继而造成极大的危害。结合其他探测手段，如天气雷达等资料进行雷电预报是可行的方向之一，但其成本高，设备安装调试复杂，数据量大且难以进行实时的雷电预警。为了提高机动目标在野外遭遇雷暴时的生存能力，部署成本低、易于调试、实时性好、具有雷电定向功能的大气电场仪尤为重要。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种实现单站雷电定向的大气电场仪及方法，可应用于野外机动目标的雷电临近预警和避雷路线规划；其电场差分探头、差分放大电路、光探测和信号调理一体化的电光-光电转换模块及全介质光缆等的应用确保了其稳定可靠的运行。
为了克服现有技术中的不足，本发明提供了一种实现单站雷电定向的大气电场仪及方法的解决方案，具体如下：
一种实现单站雷电定向的大气电场仪，包括：
大气电场传感器10的输出端通过导线70与前置信号调理电路20的输入端相连；
电光转换模块30的输入端通过导线70与前置信号调理电路20的输出端相连，电光转换模块30的输出端通过全介质光缆50与光电转换模块40的输入端相连；
光电转换模块40的输出端通过导线70与信息采集处理终端60的输入端相连；
信息采集处理终端60将大气电场水平分量绝对强度之差和极性输出至雷电方向输出单元80；
雷电方向输出单元80用于接收信息处理终端60信息，计算雷暴方位角，实现雷电定向。
进一步的，所述大气电场传感器10，用于捕捉雷暴激励的三维大气电场；
所述前置信号调理电路20，用于实现信号差分放大和极性检测；
所述电光转换模块30，用于将前置信号调理电路20输出的电信号转换为光信号；
所述光电转换模块40，用于将电光转换模块30输出的光信号转换为电信号，驱动后续的信息处理终端；
所述全介质光缆50，用于光信号的传输，避免外部电磁干扰；
所述信息采集处理终端60，用于将光电转换模块40输出的电信号转换成计算机处理的数字信号，并分析大气电场水平分量绝对强度之差和极性；
所述雷电方向输出单元80，用于计算雷暴发生方位角，实现雷电定向。
进一步的，所述实现单站雷电定向的大气电场仪，还包括：
屏蔽壳体90，所述屏蔽壳体90覆盖在前置信号调理电路20、电光转换模块30和光电转换模块40上，所述屏蔽壳体90用于消除针对所述前置信号调理电路20、电光转换模块30和光电转换模块40的空间电磁干扰。
进一步的，所述大气电场传感器10包括感应垂直电场的差分探头11，用于感应垂直方向的电场；
一对分别为感应水平电场的差分探头A1和感应水平电场的差分探头A2组成的水平电场差分探头组一12，用于消除垂直方向的电场引入的共模干扰而感应水平方向的电场；
一对分别为感应水平电场的差分探头B1和感应水平电场的差分探头B2并与水平电场差分探头组一12正交而组成的水平电场差分探头组二13，用于消除垂直方向电场引入的共模干扰，感应与水平电场差分探头组一12正交的水平方向的电场。
进一步的，所述水平电场的差分探头A1和感应水平电场的差分探头A2之间、感应水平电场的差分探头B1和感应水平电场的差分探头B2之间安装有金属屏蔽隔板14，用于消除所述水平电场的差分探头A1和感应水平电场的差分探头A2之间的电磁互扰以及感应水平电场的差分探头B1和感应水平电场的差分探头B2电磁互扰。
进一步的，覆盖所述大气电场传感器10而安装有非金属材料的防雨罩15，用于避免大气电场传感器10渗入雨水且对大气电场无屏蔽作用。
进一步的，所述前置信号调理电路20，包括：
顺序连接的I-V转换电路21、差分放大电路22、相敏检波电路23和电压调整电路24；
I-V转换电路21，用于将所述大气电场传感器10感应的交流电流信号转换为交流电压信号；
差分放大电路22，用于消除所述交流电压信号中的共模噪声而得到被测电场信号；
相敏检波电路23，用于辨别被测电场信号的极性；
电压调整电路24，用于调整经相敏检波电路后输出的电压信号，最终输出与被测电场具有比例关系的电压信号。
进一步的，所述电光转换模块30，包括：
顺序连接的非线性校正单元31、放大与补偿电路32和光发射组件33；
非线性校正单元31，用于对电压调整电路24的输出信号进行校正得到校正后的信号；
放大与补偿电路一32，用于对校正后的信号进行补偿，驱动后续光发射组件33；
光发射组件33，用于实现对输出信号的电光转换。
进一步的，所述光电转换模块40，包括：
顺序连接的光接收组件41和放大与补偿电路二42；
光接收组件41，用于实现对输入信号的光电转换；
放大与补偿电路二42，用于对光电转换后的信号进行补偿，驱动后续数据采集处理终端60。
一种实现单站雷电定向的大气电场仪的方法，包括：
所述信息处理终端60将光电转换模块40输出的电信号转换成计算机处理的数字信号，并分析出水平电场差分探头组一12所测第一水平方向x轴上的水平电场分量的绝对强度和极性和水平电场差分探头组二13所测第二水平方向y轴上的水平电场分量的绝对强度和极性；
所述第一水平方向x轴上的水平电场分量的绝对强度和极性为：所述大气电场传感器10输出的x轴方向上的水平电场的绝对强度ΔEx为感应水平电场的差分探头A2采集的电场绝对强度|Ex2|与感应水平电场的差分探头A1采集的电场绝对强度|Ex1|之差，ΔEx为正，代表雷暴发生在x轴正方向区间；
所述第二水平方向y轴上的水平电场分量的绝对强度和极性为：所述大气电场传感器10输出的y轴方向水平电场的绝对强度ΔEy为感应水平电场的差分探头B2采集电场绝对强度|Ey2|与感应水平电场的差分探头B1采集电场绝对强度|Ey1|之差，ΔEy为正，代表雷暴发生在y轴正方向区间。
所述实现单站雷电定向的大气电场仪的方法，还包括：
具有单站雷电定向功能的大气电场仪的定向方法，该定向方法为雷电方向输出单元80计算雷暴的方位角α的方法，具体包括公式(2)的方法：
Figure BDA0002837616680000061
式中，ΔEx＝|Ex2|-|Ex1|；ΔEy＝|Ey2|-|Ey1|；i＝1，2，3，4，为水平电场差分探头组一和水平电场差分探头组二组成正交平面的象限索引；
如ΔEx和ΔEy均为正，则雷电发生在第一象限内，雷暴的方位角α为与第一水平方向x轴的夹角α1；
如ΔEx为负，ΔEy为正，则雷电发生在第二象限内，雷暴的方位角α为与第一水平方向x轴的夹角α2；
如ΔEx和ΔEy均为负，则雷电发生在第三象限内，雷暴的方位角α为与第一水平方向x轴的夹角α3；
如ΔEx为正和ΔEy为负，则雷电发生在第四象限内，雷暴的方位角α为与第一水平方向(x轴)的夹角α4。
本发明的有益效果为：
1、本发明通过计算两对水平电场差分探头所测大气电场水平分量绝对强度和极性，分析雷暴强度和雷暴发生方向的单站大气电场仪；
2、大气电场传感器两对水平方向电场差分探头之间的金属屏蔽隔板，可以消除水平电场差分探头之间的电磁互扰，确保水平电场的高效采集；
3、前置信号调理电路、电光和光电转换模块置于屏蔽壳体，确保了电场仪的抗干扰性，精度高；
4、与现有通过天气雷达等手段进行雷电定位相比，本发明涉及的具有单站雷电定向功能的大气电场仪，成本低，便于安装调试。
附图说明
图1是本发明一种实现单站雷电定向的大气电场仪的工作框图。
图2是图1中大气电场传感器的基本结构底视图。
图3是图1中前置信号调理电路的结构图。
图4是I-V转换电路原理图。
图5是图1中的电光转换模块和光电转换模块的示意图。
图6是本发明一种具有单站雷电定向功能的大气电场仪的雷电定向原理图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步地说明。
如图1-图6所示，实现单站雷电定向的大气电场仪，包括，如图1所示，包括：
大气电场传感器10的输出端通过导线70与前置信号调理电路20的输入端相连；
电光转换模块30的输入端通过导线70与前置信号调理电路20的输出端相连，电光转换模块30的输出端通过全介质光缆50与光电转换模块40的输入端相连；
光电转换模块40的输出端通过导线70与信息采集处理终端60的输入端相连；
信息采集处理终端60将大气电场水平分量绝对强度之差和极性输出至雷电方向输出单元80；所述雷电方向输出单元80能够是显示屏。
雷电方向输出单元80用于接收信息处理终端60信息，计算雷暴方位角，实现雷电定向。
所述大气电场传感器10，用于捕捉雷暴激励的三维大气电场；
所述前置信号调理电路20，用于实现信号差分放大和极性检测；
所述电光转换模块30，用于将前置信号调理电路20输出的电信号转换为光信号；
所述光电转换模块40，用于将电光转换模块30输出的光信号转换为电信号，驱动后续的信息处理终端；
所述全介质光缆50，用于光信号的传输，避免外部电磁干扰；
所述信息采集处理终端60，用于将光电转换模块40输出的电信号转换成计算机处理的数字信号，并分析大气电场水平分量绝对强度之差和极性；
所述雷电方向输出单元80，用于计算雷暴发生方位角，实现雷电定向。
所述实现单站雷电定向的大气电场仪，还包括：
屏蔽壳体90，所述屏蔽壳体90覆盖在前置信号调理电路20、电光转换模块30和光电转换模块40上，所述屏蔽壳体90用于消除针对所述前置信号调理电路20、电光转换模块30和光电转换模块40的空间电磁干扰。
如图2所示，所述大气电场传感器10包括感应垂直电场的差分探头11，用于感应垂直方向的电场；
一对分别为感应水平电场的差分探头A1和感应水平电场的差分探头A2组成的水平电场差分探头组一12，用于消除垂直方向的电场引入的共模干扰而感应水平方向的电场；
一对分别为感应水平电场的差分探头B1和感应水平电场的差分探头B2并与水平电场差分探头组一12正交而组成的水平电场差分探头组二13，用于消除垂直方向电场引入的共模干扰，感应与水平电场差分探头组一12正交的水平方向的电场。
所述水平电场的差分探头A1和感应水平电场的差分探头A2之间、感应水平电场的差分探头B1和感应水平电场的差分探头B2之间安装有金属屏蔽隔板14，用于消除所述水平电场的差分探头A1和感应水平电场的差分探头A2之间的电磁互扰以及感应水平电场的差分探头B1和感应水平电场的差分探头B2电磁互扰。
覆盖所述大气电场传感器10而安装有非金属材料的防雨罩15，用于避免大气电场传感器10渗入雨水且对大气电场无屏蔽作用。
如图3所示，所述前置信号调理电路20，包括：
顺序连接的I-V转换电路21、差分放大电路22、相敏检波电路23和电压调整电路24；
I-V转换电路21，如图4所示，用于如公式(1)所示而将所述大气电场传感器10感应的交流电流信号I(t)转换为交流电压信号V(t)：
Figure BDA0002837616680000101
式中，R＝R1+RF+R1RF/R2为等效反馈电阻；C为反馈电容；T为探头旋转周期。
差分放大电路22，用于消除所述交流电压信号中的共模噪声而得到被测电场信号；
相敏检波电路23，用于辨别被测电场信号的极性；
电压调整电路24，用于调整经相敏检波电路后输出的电压信号，最终输出与被测电场具有比例关系的电压信号；
前置信号调理电路20置于屏蔽壳体内90，用于消除空间中的电磁干扰。
如图5所示，所述电光转换模块30，包括：
顺序连接的非线性校正单元31、放大与补偿电路32和光发射组件33；
非线性校正单元31，用于对电压调整电路24的输出信号进行校正得到校正后的信号；
放大与补偿电路一32，用于对校正后的信号进行补偿，驱动后续光发射组件33；
光发射组件33，用于实现对输出信号的电光转换；电光转换模块30，置于屏蔽壳体内90，用于消除空间中的电磁干扰。
所述光电转换模块40，包括：
顺序连接的光接收组件41和放大与补偿电路二42；
光接收组件41，用于实现对输入信号的光电转换；
放大与补偿电路二42，用于对光电转换后的信号进行补偿，驱动后续数据采集处理终端60；光电转换模块40，置于屏蔽壳体内90，用于消除空间中的电磁干扰。
另外，所述全介质光缆50不含金属加强筋，用于连接电光转换模块30和光电转换模块40；全介质光缆可大大降低雷电发生时，外部强电磁场对观测信号的耦合和对前置信号调理电路的损伤。
一种实现单站雷电定向的大气电场仪的方法，包括：
所述信息处理终端60将光电转换模块40输出的电信号转换成计算机处理的数字信号，并分析出水平电场差分探头组一12所测第一水平方向x轴上的水平电场分量的绝对强度和极性和水平电场差分探头组二13所测第二水平方向y轴上的水平电场分量的绝对强度和极性；
所述第一水平方向x轴上的水平电场分量的绝对强度和极性为：所述大气电场传感器10输出的x轴方向上的水平电场的绝对强度ΔEx为感应水平电场的差分探头A2采集的电场绝对强度|Ex2|与感应水平电场的差分探头A1采集的电场绝对强度|Ex1|之差，ΔEx为正，代表雷暴发生在x轴正方向区间；
所述第二水平方向y轴上的水平电场分量的绝对强度和极性为：所述大气电场传感器10输出的y轴方向水平电场的绝对强度ΔEy为感应水平电场的差分探头B2采集电场绝对强度|Ey2|与感应水平电场的差分探头B1采集电场绝对强度|Ey1|之差，ΔEy为正，代表雷暴发生在y轴正方向区间。
所述实现单站雷电定向的大气电场仪的方法，还包括：
具有单站雷电定向功能的大气电场仪的定向方法原理图如图6所示，该定向方法为雷电方向输出单元80计算雷暴的方位角αi的方法，具体包括公式(2)的方法：
Figure BDA0002837616680000121
式中，ΔEx＝|Ex2|-|Ex1|；ΔEy＝|Ey2|-|Ey1|；i＝1，2，3，4，为水平电场差分探头组一和水平电场差分探头组二组成正交平面的象限索引；
如ΔEx和ΔEy均为正，则雷电发生在第一象限内，雷暴的方位角为与第一水平方向x轴的夹角α1；
如ΔEx为负，ΔEy为正，则雷电发生在第二象限内，雷暴的方位角为与第一水平方向x轴的夹角α2；
如ΔEx和ΔEy均为负，则雷电发生在第三象限内，雷暴的方位角为与第一水平方向x轴的夹角α3；
如ΔEx为正和ΔEy为负，则雷电发生在第四象限内，雷暴的方位角为与第一水平方向(x轴)的夹角α4。
所述光探测单元的主要器件为HFBR-1416MZ发射器和HFBR-2416MZ接收器；所述前置调理电路的主要器件为AD795、OP07运放和MC14066开关。
以上已用实施例说明的方式对本发明作了说明，本领域的技术人员应当理解，本公开不限于以上说明的实施例，在不偏离本发明的范围的情况下，能够做出各种变化、改变和替换。

Claims (10)

1.一种实现单站雷电定向的大气电场仪，其特征在于，包括：
大气电场传感器的输出端通过导线与前置信号调理电路的输入端相连；
电光转换模块的输入端通过导线与前置信号调理电路的输出端相连，电光转换模块的输出端通过全介质光缆与光电转换模块的输入端相连；
光电转换模块的输出端通过导线与信息采集处理终端的输入端相连；
信息采集处理终端将大气电场水平分量绝对强度之差和极性输出至雷电方向输出单元；
雷电方向输出单元用于接收信息处理终端信息，计算雷暴方位角，实现雷电定向。
2.根据权利要求1所述的实现单站雷电定向的大气电场仪，其特征在于，所述大气电场传感器，用于捕捉雷暴激励的三维大气电场；
所述前置信号调理电路，用于实现信号差分放大和极性检测；
所述电光转换模块，用于将前置信号调理电路输出的电信号转换为光信号；
所述光电转换模块，用于将电光转换模块输出的光信号转换为电信号，驱动后续的信息处理终端；
所述全介质光缆，用于光信号的传输，避免外部电磁干扰；
所述信息采集处理终端，用于将光电转换模块输出的电信号转换成计算机处理的数字信号，并分析大气电场水平分量绝对强度之差和极性；
所述雷电方向输出单元，用于计算雷暴发生方位角，实现雷电定向。
3.根据权利要求1所述的实现单站雷电定向的大气电场仪，其特征在于，所述实现单站雷电定向的大气电场仪，还包括：
屏蔽壳体，所述屏蔽壳体覆盖在前置信号调理电路、电光转换模块和光电转换模块上，所述屏蔽壳体用于消除针对所述前置信号调理电路、电光转换模块和光电转换模块的空间电磁干扰。
4.根据权利要求1所述的实现单站雷电定向的大气电场仪，其特征在于，所述大气电场传感器包括感应垂直电场的差分探头，用于感应垂直方向的电场；
一对分别为感应水平电场的差分探头A1和感应水平电场的差分探头A2组成的水平电场差分探头组一，用于消除垂直方向的电场引入的共模干扰而感应水平方向的电场；
一对分别为感应水平电场的差分探头B1和感应水平电场的差分探头B2并与水平电场差分探头组一正交而组成的水平电场差分探头组二，用于消除垂直方向电场引入的共模干扰，感应与水平电场差分探头组一正交的水平方向的电场。
5.根据权利要求4所述的实现单站雷电定向的大气电场仪，其特征在于，所述水平电场的差分探头A1和感应水平电场的差分探头A2之间、感应水平电场的差分探头B1和感应水平电场的差分探头B2之间安装有金属屏蔽隔板，用于消除所述水平电场的差分探头A1和感应水平电场的差分探头A2之间的电磁互扰以及感应水平电场的差分探头B1和感应水平电场的差分探头B2的电磁互扰。
6.根据权利要求4所述的实现单站雷电定向的大气电场仪，其特征在于，覆盖所述大气电场传感器而安装有非金属材料的防雨罩，用于避免大气电场传感器渗入雨水且对大气电场无屏蔽作用。
7.根据权利要求4所述的实现单站雷电定向的大气电场仪，其特征在于，所述前置信号调理电路，包括：
顺序连接的I-V转换电路、差分放大电路、相敏检波电路和电压调整电路；
I-V转换电路，用于将所述大气电场传感器感应的交流电流信号转换为交流电压信号；
差分放大电路，用于消除所述交流电压信号中的共模噪声而得到被测电场信号；
相敏检波电路，用于辨别被测电场信号的极性；
电压调整电路，用于调整经相敏检波电路后输出的电压信号，最终输出与被测电场具有比例关系的电压信号。
8.根据权利要求4所述的实现单站雷电定向的大气电场仪，其特征在于，所述电光转换模块，包括：
顺序连接的非线性校正单元、放大与补偿电路和光发射组件；
非线性校正单元，用于对电压调整电路的输出信号进行校正得到校正后的信号；
放大与补偿电路一，用于对校正后的信号进行补偿，驱动后续光发射组件；
光发射组件，用于实现对输出信号的电光转换；
所述光电转换模块包括：
顺序连接的光接收组件和放大与补偿电路二；
光接收组件，用于实现对输入信号的光电转换；
放大与补偿电路二，用于对光电转换后的信号进行补偿，驱动后续数据采集处理终端。
9.一种实现单站雷电定向的大气电场仪的方法，其特征在于，包括：
所述信息处理终端将光电转换模块输出的电信号转换成计算机处理的数字信号，并分析出水平电场差分探头组一所测第一水平方向x轴上的水平电场分量的绝对强度和极性和水平电场差分探头组二所测第二水平方向y轴上的水平电场分量的绝对强度和极性；
所述第一水平方向x轴上的水平电场分量的绝对强度和极性为：所述大气电场传感器输出的x轴方向上的水平电场的绝对强度ΔEx为感应水平电场的差分探头A2采集的电场绝对强度|Ex2|与感应水平电场的差分探头A1采集的电场绝对强度|Ex1|之差，ΔEx为正，代表雷暴发生在x轴正方向区间；
所述第二水平方向y轴上的水平电场分量的绝对强度和极性为：所述大气电场传感器输出的y轴方向水平电场的绝对强度ΔEy为感应水平电场的差分探头B2采集电场绝对强度|Ey2|与感应水平电场的差分探头B1采集电场绝对强度|Ey1|之差，ΔEy为正，代表雷暴发生在y轴正方向区间。
10.根据权利要求9所述的实现单站雷电定向的大气电场仪的方法，其特征在于，所述实现单站雷电定向的大气电场仪的方法，还包括：
具有单站雷电定向功能的大气电场仪的定向方法，该定向方法为雷电方向输出单元计算雷暴的方位角α的方法，具体包括如公式(2)所示的方法：
Figure FDA0002837616670000051
式中，ΔEx＝|Ex2|-|Ex1|；ΔEy＝|Ey2|-|Ey1|；i＝1，2，3，4，为水平电场差分探头组一和水平电场差分探头组二组成正交平面的象限索引；
如ΔEx和ΔEy均为正，则雷电发生在第一象限内，雷暴的方位角α为与第一水平方向x轴的夹角α1；
如ΔEx为负，ΔEy为正，则雷电发生在第二象限内，雷暴的方位角α为与第一水平方向x轴的夹角α2；
如ΔEx和ΔEy均为负，则雷电发生在第三象限内，雷暴的方位角α为与第一水平方向x轴的夹角α3；
如ΔEx为正和ΔEy为负，则雷电发生在第四象限内，雷暴的方位角α为与第一水平方向(x轴)的夹角α4。
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