CN113866515A - 雷电融合探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了雷电融合探测器，它包括GNSS天线、电磁场天线、静电感应极板、辅助感应板、MEMS大气电场处理模块、上屏蔽隔板、雷电信号识别与处理模块、下屏蔽隔板、雷电光学影像监拍模块和光学摄像机，其中，GNSS天线通过固定柱固定在电磁场天线的上端极板，电磁场天线的下端极板通过固定柱固定在上屏蔽隔板上，上屏蔽隔板与下屏蔽隔板之间安装雷电信号识别与处理模块，上屏蔽隔板与下屏蔽隔板整体通过绝缘支柱固定在辅助感应板上，辅助感应板通过绝缘隔板与雷电光学影像监拍模块的壳体固定连接。本发明能实现雷电监测预警装置的长期稳定可靠运行。
Description
技术领域
本发明涉及雷电监测预警技术领域，具体地指一种雷电融合探测器。
背景技术
雷电的形成和发生过程会伴随多种物理效应，包括雷电形成和发生过程中引起的大气静电场变化，雷击放电过程中产生的闪光、强电磁辐射以及大电流等。这些雷电引发的物理效应会对电力、通信、交通、石油化工等人们的生产、生活带来严重的危害。为了了解和研究雷电的成因，掌握雷电的活动规律，提升对雷电的防护能力，人们利用电磁信号探测、地面大气静电场探测、光学影像监拍等多种技术开展了大量的雷电监测预警技术的研发与装备的研制。例如电网系统，雷击是导致其输电线路跳闸的首要原因，为此，我国电网已建成了技术水平先进的广域雷电监测网，并对重要输电通道建有雷击风险预警系统和雷击光学影像监拍装置，实现了对雷电活动“点”、“线”、“面”的临近预警、定点监拍和广域监测定位。
地面大气静电场探测是开展雷电预警的重要技术手段之一，目前主要采用的是场磨式电场仪和基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)技术的电场仪。通过实验研究和长期的工程应用实践，在场磨式电场仪中，旋转动片的接地电极因持续的运动磨损，易造成动片的接地屏蔽失效，电极磨损产生的粉末会造成机体内部的污染，裸漏在外的旋转动片和感应电极片受环境的影像会形成污秽附着，在污秽严重地区这一现象尤为明显，因此场磨式电场仪需及时定期开展设备维护与回修；基于MEMS技术的电场仪克服了场磨式电场仪旋转机械结构固有特征带来的不便，利用静置的外部感应电极和MEMS芯片探测大气电场，由于电极外置，带电荷的雨滴、污秽极易干扰大气电场的测量，长期运行时，电极与参考平面间隙间进入的污秽和异物，例如蛛丝和昆虫等，会导致测量异常和设备失效。这些因素会严重干扰现有的场磨式电场仪、MEMS电场仪对大气电场测量的灵敏度、探测精度以及设备的运行可靠性。
广域雷电监测与定位主要是利用多点分布的雷电探测站，结合低频甚低频电磁场信号探测、信号特征识别、方向与时差定位等方法实现。根据雷电引起的静电场、感应场、辐射场的信号特征，在近距离探测时，受信号强度、信号特征等参数的影响，现有的雷电探测站探测能力有所下降，需要进行技术改进来提升近距离雷电信号的检出性能。
基于电磁信号探测的雷电监测与定位技术主要是一种电磁信号盲测技术，判断它的探测效率，定位的准确性常需要借助其他技术手段。雷电的光学影像信息就是重要的技术手段之一，也是研究雷电发展过程，雷击路径形态的重要手段。雷电的光学监拍需要高拍摄速度，帧率高、数据量大、对计算和处理性能有严格的要求，区别于实验室内的拍摄设备，在野外工况，特别是在输电线路上进行雷电拍摄的设备，其工作模式、算力与能耗的优化一直是值得研究的课题。
专利文献201220549090.6一种雷电及地面电场监测一体装置，提出了一种结合地面大气静电场探测和雷电电磁场探测的雷电单站探测装置，用于对局地地面大气电场强度测量和远距离雷电的测向与定距。该专利雷电探测和大气静电场测量两个部件仍独立运行，仅是功能的相互补充和堆叠；其采用的静电场测量部件是基于场磨式电场测量方法，未克服该方法固有的不足；该专利使用了光电管，但主要是进行雷电的光学计数。
专利文献202022562582.6一种集成雷电预警探测与闪电光学图像记录的一体化装置，提出了一种集成雷电探测、雷电预警与雷电光学图像记录的集成型雷电探测装置，主要是为了解决多种探测装备同一地点重复基础建设、通信通道复用的问题，从而减少建设成本和运维量，该专利的预警功能采用了基于MEMS的技术，未明确提出是否克服了感应极板受外部环境的影响而导致的数据测量异常的问题。
发明内容
本发明的目的就是要提供一种雷电电磁场、静电场、光学三种物理效应的同步融合探测的雷电融合探测器，避免多传感器简单组合带来的彼此干扰，便于整机安装，并降低外部环境因素对静电场测量准确性的影响，本发明能实现雷电多物理效应同步融合探测装置的长期稳定可靠运行。
为实现此目的，本发明所设计的雷电融合探测器，它包括GNSS天线、电磁场天线、静电感应极板、辅助感应板、MEMS大气电场处理模块、上屏蔽隔板、雷电信号识别与处理模块、时钟同步模块、下屏蔽隔板、雷电光学影像监拍模块和光学摄像机，其中，GNSS天线固定在电磁场天线的上端极板，电磁场天线的下端极板通过固定柱固定在上屏蔽隔板上，上屏蔽隔板与下屏蔽隔板之间安装雷电信号识别与处理模块和时钟同步模块，上屏蔽隔板与下屏蔽隔板整体通过绝缘支柱固定在辅助感应板上，辅助感应板通过绝缘隔板与雷电光学影像监拍模块的壳体固定连接，雷电光学影像监拍模块的壳体侧面安装光学摄像机，MEMS大气电场处理模块内置于电磁场天线的内部，MEMS大气电场处理模块通过绝缘隔板与电磁场天线的下端极板固定，MEMS大气电场处理模块的静电场信号输入端通过馈线与静电感应极板电极端连接，静电感应极板通过绝缘螺丝固定在辅助感应极板之上，静电感应极板与辅助感应板之间间隔有绝缘垫片，电磁场天线的信号输出端与雷电信号识别与处理模块的电磁场信号输入端连接，光学摄像机的信号输出端连接雷电光学影像监拍模块的光学影像信号输入端，雷电光学影像监拍模块的摄像机控制信号输出端连接光学摄像机的控制信号输入端，GNSS天线的信号输出端与时钟同步模块的信号输入端连接，时钟同步模块的同步信号通信端分别连接雷电信号识别与处理模块、MEMS大气电场处理模块和雷电光学影像监拍模块的时间同步信号通信端，雷电信号识别与处理模块数据通信端、MEMS大气电场处理模块数据通信端和雷电光学影像监拍模块数据通信端彼此互联。
本发明构思新颖、设计合理、性能稳定，可长期户外运行，通过一种巧妙的结构设计将GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)天线，电磁场天线，静电场感应极板，光学摄像机，雷电信号识别与处理模块，MEMS大气电场处理模块和雷电光学影像监拍模块融合在一个密封的防护罩仓体内，彼此协同又互不干扰，实现了雷电电磁场、静电场、光学三种物理效应的同步融合探测，避免了旋转机械结构的不足，降低了环境等因素对静电场测量的干扰，进一步改善了近距离雷电电磁场低频甚低频信号识别漏判的情况，增强了雷电探测站近距离雷电信号的检出能力，改善了雷电光学影像监拍长时间高算力盲动所导致的效能不高的问题，为开展雷电多物理效应长期同步探测提供了一种良好的技术手段和装置。
附图说明
图1为本发明的前视结构示意图；
图2为本发明的立体结构示意图；
图3为本发明带防护罩的前视结构示意图；
图4为本发明静电场感应极板层叠结构示意图；
图5为本发明的原理框图；
图6为本发明的大气静电场测量效果波形对比图；
图7位本发明的局部结构示意图。
其中，1—GNSS天线、2—电磁场天线、3—馈线、4—静电感应极板、5—辅助感应板、6—绝缘隔板、7—装置支撑立柱、8—MEMS大气电场处理模块、9—上屏蔽隔板、10—雷电信号识别与处理模块、11—下屏蔽隔板、12—绝缘支柱、13—雷电光学影像监拍模块、14—光学摄像机、15—绝缘透波防护罩、16—密封圈、17—防水透气阀、18—绝缘垫片、19—中心站、20—时钟同步模块。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
如图1～7所示雷电融合探测器，它包括GNSS天线1(全频段高精度GNSS天线)、电磁场天线2、静电感应极板4、辅助感应板5、MEMS大气电场处理模块8、上屏蔽隔板9、雷电信号识别与处理模块10、下屏蔽隔板11、雷电光学影像监拍模块13和光学摄像机14，其中，GNSS天线1通过固定柱固定在电磁场天线2的上端极板，便于良好接收GNSS卫星信号，电磁场天线2的下端极板通过固定柱固定在上屏蔽隔板9上，上屏蔽隔板9与下屏蔽隔板11之间安装雷电信号识别与处理模块10和时钟同步模块20，上屏蔽隔板9与下屏蔽隔板11整体通过绝缘支柱12固定在辅助感应板5上，辅助感应板5通过绝缘隔板6与雷电光学影像监拍模块13的壳体固定连接，雷电光学影像监拍模块13的壳体侧面安装光学摄像机14，根据光学摄像机14的拍摄角度可选3或4个光学摄像机14，从而实现360度环视全景光学摄像)，MEMS大气电场处理模块8内置于电磁场天线2的内部，MEMS大气电场处理模块8通过绝缘隔板6与电磁场天线2的下端极板固定，MEMS大气电场处理模块8的静电场信号输入端通过馈线3连接静电感应极板4的电极端，静电感应极板4通过绝缘螺丝固定在辅助感应极板5之上，静电感应极板4与辅助感应板5之间间隔有绝缘垫片18，电磁场天线2的信号输出端与雷电信号识别与处理模块10的电磁场信号输入端连接，光学摄像机14的信号输出端连接雷电光学影像监拍模块13的光学影像信号输入端，雷电光学影像监拍模块13的摄像机控制信号输出端连接光学摄像机14的控制信号输入端，GNSS天线1的信号输出端与时钟同步模块20的信号输入端连接，时钟同步模块20的同步信号通信端分别连接雷电信号识别与处理模块10、MEMS大气电场处理模块8和雷电光学影像监拍模块13的时间同步信号通信端，雷电信号识别与处理模块10数据通信端、MEMS大气电场处理模块8数据通信端和雷电光学影像监拍模块13数据通信端彼此互联。
上述技术方案中，它还包括装置支撑立柱7，所述雷电光学影像监拍模块13的壳体底部与装置支撑立柱7的顶部固定，用于方便的安置于各类基础平面上。
上述技术方案中，它还包括绝缘透波防护罩15，所述绝缘透波防护罩15整体安装在辅助感应板5上，辅助感应板5同时作为上层结构体的支撑托板，绝缘透波防护罩15与辅助感应板5之间通过密封圈16密封，为整体装置提供密封防护保障，所述GNSS天线1、电磁场天线2、静电感应极板4、MEMS大气电场处理模块8、上屏蔽隔板9、雷电信号识别与处理模块10、时钟同步模块20和下屏蔽隔板11均位于绝缘透波防护罩15内。
上述技术方案中，所述辅助感应板5的底部安装有不锈钢材质的防水透气阀17。
上述技术方案中，所述电磁场天线2为框型电磁场天线。
上述技术方案中，静电场信号的感应与信号的采集易受到温度，水汽，大气电荷分布，馈线引出长度影响，为了降低上述因素的影响，在本发明方案中，所述的静电感应极板4采用的是绝缘隔板6叠加辅助感应板5再叠加绝缘垫片18再叠加静电感应极板4再配合屏蔽隔板11的多层层叠放置结构，方案融合了主体支撑结构作为辅助感应板5。辅助感应板5采用的是铝合金材料，通过绝缘板配合连接，避免了与整体金属结构接地，从而造成信号的屏蔽，感应极板4是铝合金材质，其与辅助感应板5之间间隔有绝缘垫片18，感应极板4与辅助感应板5不是直接的金属电气连接，而是采用的耦合方式获取信号，感应极板4通过绝缘螺丝固定在辅助感应板5上，感应极板4可根据静电场场强耦合信号的大小更换不同面积尺寸来确定耦合信号的强度。为降低装置周围浮动电场对测量的影响，例如在实验测试环境中，附近人员走动会造成信号起伏，在静电感应极板4的上面，设置了屏蔽隔板11作为参考的平面，屏蔽隔板11通过绝缘支柱12(陶瓷绝缘支柱)固定在辅助感应板5上，陶瓷绝缘支柱既可保证电气绝缘，也具有一定的结构稳定性。馈线3采用刚性同轴线，线长控制在150mm以内。
上述技术方案中，GNSS天线1、电磁场天线2、静电感应极板4和光学摄像机14采用的是层叠内嵌结构融合配置在一个密封的防护罩仓体内，所述静电感应极板4采用的是绝缘隔板叠加辅助感应板在叠加绝缘垫片再叠加感应极板再配合屏蔽隔板的多层层叠放置结构，融合了主体支撑结构作为辅助感应板，并可灵活调整感应极板面积。
上述技术方案中，所述电磁场天线2用于接收低频、甚低频段电磁场信号并送至雷电信号识别与处理模块10，用于检出雷电活动所产生的电磁波形，静电感应极板4用于感应大气静电场电荷；
MEMS大气电场处理模块8用于将大气静电场信号转换为静电场场强数值，并得到对应的静电场场强变化波形。MEMS大气电场处理模块8获取站址周边的大气电场强度值通过统一的网络通道上传至中心站19，并可接收来自中心站19下发的控制命令和修正参数，如图6，是同一时间段，同一地点，同一雷电过程，原有独立结构直接外置测量方案的大气静电场波形图和本发明方案获取的大气静电场波形图的对比，可以看出，原方案纹波多线条粗，本发明方案纹波少线条细，本方案具有明显的起始、发生、消散的过程，且特征明显，原方案在对应时间点也都同步的信号波动和起伏，但整体特征不显著，叠加干扰信号多，不利于后期雷电的辅助识别和工作模式的优化；
所述雷电信号识别与处理模块10用于通过静电场场强变化波形得到静电场场强波形变化特征，并在原有的雷电电磁场信号识别判据模型的基础上，利用电磁场信号与大气静电场信号的时空相关性，融合静电场场强数值和静电场场强波形变化特征，建立雷电电磁场波形辅助识别模型，用于提升近距离雷电信号的检出性能，雷电信号识别与处理模块10基于FPGA实现，模型的建立和控制程序采用的是Verilog语言和C语言，雷电信号识别与处理模块10获取的探测数据通过统一的网络通道上传至中心站19，并可接收来自中心站19下发的控制命令和模型固件；
所述雷电信号识别与处理模块10用于利用原有的雷电电磁场信号识别判据模型对输入的电磁场信号进行识别，当输入的电磁场信号符合原有的雷电电磁场信号识别判据模型中典型雷电信号特征判据时，确认为雷电电磁场信号，雷电信号识别与处理模块10用于对未被确认为雷电电磁场信号的电磁场信号利用雷电电磁场波形辅助识别模型，进行电磁场信号与大气静电场信号在空间和时间上的相关性的判断，以及进行电磁场信号与静电场场强波形变化特征相关性的判断，并根据判断结果进行电磁场信号是否为雷电电磁场信号的二次确认，MEMS大气电场处理模块8的静电场场强数据输出端连接雷电信号识别与处理模块10的静电场场强数据输入端。
所述光学摄像机14用于监拍雷电过程的光学影像，光学摄像机14内部具有感光部件可获取雷电多物理效应同步融合探测系统站点周边视距范围内的光强信息并产生光强触发，雷电光学影像监拍模块13用于利用光强信息并结合MEMS大气电场处理模块8输出的静电场场强数值和雷电信号识别与处理模块10输出的雷电电磁场信号以及中心站19反馈的雷电预警信息、雷电定位信息和中心站19发送的操作指令建立雷电光学影像监拍工作模式处理模型，并根据雷电光学影像监拍工作模式处理模型判断视距范围内是否有雷电发生的可能，MEMS大气电场处理模块8的静电场场强数据输出端连接雷电光学影像监拍模块13的静电场场强数据输入端，雷电信号识别与处理模块10的雷电电磁场信号输出端连接雷电光学影像监拍模块13的雷电电磁场信号输入端。
雷电光学影像监拍模块13、MEMS大气电场处理模块8和雷电信号识别与处理模块10与中心站19进行通信互联，中心站19用于接收并存储雷电光学影像监拍模块13输送的光学影像、光触发状态，电磁触发状态，静电场触发状态、工作状态以及运行监测数据，中心站19用于接收并存储MEMS大气电场处理模块8输送的静电场场强数值和对应的静电场场强变化波形，中心站19用于接收并存储雷电信号识别与处理模块10输送的雷电电磁场信号探测数据和对应的电磁场信号波形，中心站19接收存储多个雷电多物理效应同步融合探测系统站点传送的上述数据和工作运行状态数据，并进行联合雷电定位计算和预警，中心站19具有状态控制和指令操作权，可对雷电光学影像监拍模块13、MEMS大气电场处理模块8和雷电信号识别与处理模块10传输各个模块的控制指令和参数调整指令，发布雷电电磁场波形辅助识别模型和雷电光学影像监拍工作模式处理模型，中心站19根据全局监测数据，包括雷电多物理效应同步融合探测系统站点监拍半径内雷电预警等级、雷电定位信息，毗邻区域雷电定位信息等相关数据，对雷电多物理效应同步融合探测系统中的触发状态，雷电光学影像监拍模块13的工作状态进行状态确认和修正。
雷电光学影像监拍模块13还用于利用光强信息并结合MEMS大气电场处理模块8输出的静电场场强和雷电信号识别与处理模块10输出的雷电电磁场信号以及中心站19反馈的雷电预警信息和雷电定位信息，形成雷电光学影像监拍模块13的多级工作状态；
本发明中各个传感器和功能模块均内置于一个完整的防护罩内部，并设置有防水透气阀17和干燥剂以确保内外部的气压平衡与内部空间的干燥，有效隔绝了外部污秽、雨滴、昆虫等对信号探测的影响，特别是降低了对大气静电场探测的干扰。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (9)
1.一种雷电融合探测器，其特征在于：它包括GNSS天线(1)、电磁场天线(2)、静电感应极板(4)、辅助感应板(5)、MEMS大气电场处理模块(8)、上屏蔽隔板(9)、雷电信号识别与处理模块(10)、下屏蔽隔板(11)、雷电光学影像监拍模块(13)和光学摄像机(14)，其中，GNSS天线(1)固定在电磁场天线(2)的上端极板，电磁场天线(2)的下端极板通过固定柱固定在上屏蔽隔板(9)上，上屏蔽隔板(9)与下屏蔽隔板(11)之间安装雷电信号识别与处理模块(10)和时钟同步模块(20)，上屏蔽隔板(9)与下屏蔽隔板(11)整体通过绝缘支柱(12)固定在辅助感应板(5)上，辅助感应板(5)通过绝缘隔板(6)与雷电光学影像监拍模块(13)的壳体固定连接，雷电光学影像监拍模块(13)的壳体侧面安装光学摄像机(14)，MEMS大气电场处理模块(8)内置于电磁场天线(2)的内部，MEMS大气电场处理模块(8)通过绝缘隔板(6)与电磁场天线(2)的下端极板固定，MEMS大气电场处理模块(8)的静电场信号输入端连接静电感应极板(4)的电极端，静电感应极板(4)固定在辅助感应极板(5)之上，静电感应极板(4)与辅助感应板(5)之间间隔有绝缘垫片(18)。
2.根据权利要求1所述的雷电融合探测器，其特征在于：所述电磁场天线(2)的信号输出端与雷电信号识别与处理模块(10)的电磁场信号输入端连接，光学摄像机(14)的信号输出端连接雷电光学影像监拍模块(13)的光学影像信号输入端，雷电光学影像监拍模块(13)的摄像机控制信号输出端连接光学摄像机(14)的控制信号输入端，GNSS天线(1)的信号输出端与时钟同步模块(20)的信号输入端连接，时钟同步模块(20)的同步信号通信端分别连接雷电信号识别与处理模块(10)、MEMS大气电场处理模块(8)和雷电光学影像监拍模块(13)的时间同步信号通信端。
3.根据权利要求1所述的雷电融合探测器，其特征在于：它还包括绝缘透波防护罩(15)，所述绝缘透波防护罩(15)整体安装在辅助感应板(5)上，绝缘透波防护罩(15)与辅助感应板(5)之间通过密封圈(16)密封，所述GNSS天线(1)、电磁场天线(2)、静电感应极板(4)、MEMS大气电场处理模块(8)、上屏蔽隔板(9)、雷电信号识别与处理模块(10)和下屏蔽隔板(11)均位于绝缘透波防护罩(15)内。
4.根据权利要求1所述的雷电融合探测器，其特征在于：所述的静电感应极板(4)采用的是绝缘隔板(6)叠加辅助感应板(5)再叠加绝缘垫片(18)再叠加静电感应极板(4)再配合屏蔽隔板(11)的多层层叠放置结构，静电感应极板(4)可根据静电场场强耦合信号的大小更换不同面积尺寸来确定耦合信号的强度。
5.根据权利要求1所述的雷电融合探测器，其特征在于：它还包括装置支撑立柱(7)，所述雷电光学影像监拍模块(13)的壳体底部与装置支撑立柱(7)的顶部固定。
6.根据权利要求1所述的雷电融合探测器，其特征在于：所述辅助感应板(5)的底部安装有防水透气阀(17)。
7.根据权利要求1所述的雷电融合探测器，其特征在于：所述电磁场天线(2)为框型电磁场天线。
8.根据权利要求1所述的雷电融合探测器，其特征在于：所述MEMS大气电场处理模块(8)的静电场场强数据输出端连接雷电信号识别与处理模块(10)的静电场场强数据输入端。
9.根据权利要求1所述的雷电融合探测器，其特征在于：MEMS大气电场处理模块(8)的静电场场强数据输出端连接雷电光学影像监拍模块(13)的静电场场强数据输入端，雷电信号识别与处理模块(10)的雷电电磁场信号输出端连接雷电光学影像监拍模块(13)的雷电电磁场信号输入端。
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