CN201788276U - 甚低频全闪电定位系统 - Google Patents

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张义军
董万胜
王涛
刘恒毅
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Abstract

本实用新型是一种甚低频全闪电定位系统，该系统包括至少四个闪电定位监测站点，所述闪电定位监测站点内设有甚低频闪电辐射接收机、计算机、GPS时钟模块，所述站点连续无间隔捕获闪电脉冲波形及其到达绝对时间，通过互联网实现各站点数据的传输，利用闪电电场变化辐射脉冲到达各站点的时间差，通过用于分析、处理所述脉冲的计算机软件，对闪电放电事件进行二维、三维定位，并识别放电类型。在上述硬件与软件的配合下，该系统可用于确定区域内发生闪电的数量、放电类型，以及闪电参数的统计特征，并能对雷电活动进行预警。

Description

甚低频全闪电定位系统 
技术领域
本实用新型涉及气象观测设备，具体涉及甚低频全闪电定位系统。 
背景技术
闪电是严重的自然灾害之一，可引起森林和油库火灾、造成供电及通讯信息系统故障或损坏，对航天航空、矿山及一些重要而敏感的高技术装备等具有重大威胁。八十年代以后，闪电引起的危害显著增加，特别是与高新技术关系密切的领域，如航空航天、国防、通讯、电力、计算机、电子工业等由于广泛应用对闪电电磁干扰极为敏感的大规模及超大规模集成电路致使遭雷击的几率大大增加；据保守估计，我国每年因雷害造成的直接经济损失超过数亿元，而由此造成的间接经济损失和影响难以估计，由于其成灾迅速而给其研究、预报和防治带来了极大的困难。现有技术中多注意地闪回击探测，还没有有效的可用于云内闪电活动探测的技术和闪电放电事件识别方法。 
而闪电探测和定位系统能对雷电活动进行预警，从而减小闪电所导致的有害影响。由于闪电定位系统能够不间断地监测“地闪”和“云闪”时空演变，所以这些系统也可用于确定一个指定区域内发生闪电的数量，以及放电参数的统计特征，因此发展闪电探测技术和预警预报方法是当前非常迫切的任务。 
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术中的缺陷，设计一种甚低频全闪电定位系统，该系统通过软件设计的浮动触发电平，连续捕获记录闪电脉冲波形而无死时间。该系统即可用于确定一个指定区域内发生闪电的数量，以及放电参数的统计特征，用于雷电活动进行预警， 也可用于闪电机理的科学研究。 
也可用于闪电机理的科学研究。 
为实现上述目的，本实用新型的技术方案是采用一种甚低频全闪电定位系统，该系统包括至少四个闪电定位监测站点，所述闪电定位监测站点内设有甚低频闪电辐射接收机、GPS接收机、计算机。所述数据采集卡设置在所述计算机内；所述甚低频闪电辐射接收机与所述计算机相连，用于探测闪电产生的瞬态电场变化，并将闪电瞬态电场变化信号传送给所述计算机；所述GPS接收机与所述计算机相连，用于采样频率校正，输出准确的频率信号，同时也向系统提供精确的时间基准。 
其中，所述甚低频闪电辐射接收机包括依次连接的接收天线、积分放大器、滤波器、驱动输出电路，模/数转换电路及记录设备。 
其中，所述计算机内设有所述数据采集卡及数据处理软件。 
其中，所述GPS接收机(模块)设置与所述甚低频闪电辐射接收机在所述计算机内。所述GPS接收机(模块)用于采样频率校正，输出准确的频率信号，同时也向系统提供精确的时间基准。 
其中，所述甚低频闪电辐射接收机设置在室外的玻璃钢防护罩内。 
本实用新型的优点和有益效果在于：在上述硬件与软件的配合下，该系统可用于确定一个指定区域内发生闪电的数量、位置、闪电放电类型、以及相应放电参数的统计特征，并能对雷电活动进行预警。 
附图说明
图1是本实用新型甚低频全闪电定位系统框图； 
图2是本实用新型甚低频全闪电定位系统中甚低频闪电辐射接收机系统框图； 
图3是本实用新型甚低频全闪电定位系统中甚低频闪电辐射接收机的防护罩结构示意图； 
图4是本实用新型甚低频全闪电定位系统中存储程序框图； 
图5是本实用新型甚低频全闪电定位系统中数据采集方式原理示意图。 
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。 
如附图1至图5所示，本实用新型具体实施的技术方案是： 
如附图1所示一种甚低频全闪电定位系统，该系统包括至少四个闪电定位监测站点，所述闪电定位监测站点内设有甚低频闪电辐射接收机(图中的探头)、计算机、GPS接收机。所述站点利用GPS接收机提供的精确时钟，得到闪电电场变化脉冲到达各站点的时间，并记录闪电快电场变化波形，通过计算机对所获数据进行初步的处理，通过互联网将数据实时发送到用于分析、处理所述脉冲的计算机，通过专用软件对闪电放电事件进行定位、放电类型识别、统计处理多种放电参数。 
如附图2所示该系统由甚低频闪电辐射接收机(快电场变化仪)，高精度GPS同步时钟，以及计算机(闪电波形采集分析处理设备)构 成。快电场变化传感器运行在200Hz～3MHz频段，探测闪电产生的瞬态电场变化。GPS信号用于频率基准校正，保证更高准确度的频率信号输出，同时也向系统提供精确的时间基准。数据采集系统采用计算机+高速数字化仪，以10Msps的采样速率数字化电场变化信号。采用浮动电平触发设置和闪电辐射脉冲波形无间隔连续捕获工作方式，即将触发系统设计成完全基于软件的、可灵活执行不同触发算法的模式，通过连续监视环境背景中的低频非闪电干扰信号，实时自动调整触发电平，实现适用于浮动背景的双极性触发模式。将信号值连续地与预先设定的触发阈值比较，当一个采样点被探测到大于这个阈值时，有一定前置触发段和后置触发段的波形被捕获。随后根据闪电甚低频辐射波形特点，对超过触发阈值的数据片断进行预处理，处理后的电场变化波形数据以及相应触发记录开始时刻标记的时间信息存储在本地磁盘，同时通过互联网实时传输到闪电定位、分析处理的计算机。软件采用多线程安全变量和安全队列技术将数据采集、触发预处理、存储任务分给几个独立的线程同时执行，实现对闪电甚低频辐射脉冲波形的连续捕获而没有任何死时间。整个采集记录系统由计算机统一控制实现无人职守自动运行。 
本实用新型中的三维时差法闪电探测系统是利用GPS精确同步测量多站闪电快电场变化脉冲波形，实现对云闪和地闪的三维定位及实时监测，其GPS接收机的测时精度决定整个系统的定位精度。本系统中的GPS接收机采用了低相噪锁相环技术和大规模集成电路设计，内置高稳定度恒温晶振OCXO和高品质、高精度授时型GPS接收机，采用先进的GPS频率测控技术，对晶体振荡器的输出频率进行精密测量与调节，采用智能学习算法，在GPS驯服晶振的过程中能够不断“学习”晶振的漂移等特性，并将这些参数存入板载EEPROM存储器中。输出的1pps信号是GPS驯服晶振输出10MHz信号，信号经过10,000,000次分频后得到的，相位与载波信号严格一致，且不受GPS 秒脉冲短时间随机跳变带来的影响，相当于UTC时间基准的“复现”。当GPS出现异常或不可用时，自动切换到保持模式，利用高效的智能保持算法，依靠内置高稳晶振继续提供高可靠性的时间和频率信号输出，使其输出频率精确同步在GPS系统上，提供高精度的时间频率基准信号。 
为了能监测更大区域内闪电甚低频辐射，本实用新型研制了“宽带高增益闪电低中频辐射接收机”，采用高集成精密放大器配以特殊的电路结构使其具有很高的输入阻抗，并采用有源滤波滤除工频干扰且保证了系统的增益带宽。 
如附图3所示由于系统有比较高的带宽增益，为防止暴雨对系统的影响及带电雨滴造成的频繁误触发，系统采用具有很宽波透率的玻璃钢防护罩结构。 
数据采集分析处理系统 
在本实用新型中数据采集分析处理系统主要由计算机、高速数据采集卡构成，前述的GPS接收机为其提供绝对时间基准，其中10MHz信号作为采集卡采样的外部时钟。利用电源(UPS)为整个系统提供稳定的电源。 
采集卡 
本发实用新型采用的数据采集卡为数据采样速率高达30MS/s；具有12位AD转换精度；信道内建32K先入先出法(FIFO)内存，板卡数据采用DMA方式传输到控制计算机内存，实现数据的高速采集及完整性。 
闪电数据高速传输 
如附图4所示本发实用新型采用10MS/s的采样率对电场变化信号进行采集，同时还要与GPS时钟绑定。在这种情况下数据传输量很大，仅用采集卡板载的FIFO，很难实现对闪电波形无间隙连续捕获。因此，本发实用新型在计算机机内存中创建了一个较大的FIFO缓存区，且把 该缓存区分为两段使用。板卡获取的数据首先以直接存储器存取(DMA)方式传输到该缓存区(控制计算机内存)，当FIFO缓存区的任意段获取数据完成后，其该段内的数据被一次性读走，两段缓存区交替实现大量数据高速传输和处理。 
闪电波形无间隙连续捕获 
如附图5所示闪电快电场变化信号以10MSPS的采样速率、12bit分辨率数字化，数字化后的信号借助计算机总线连续传输到计算机的内存，同时连续5个样点相加，对数据进行压缩，信号采样率从10MSPS减小到2MSPS，但同时分辨率提高。此后信号连续的与预先设定的数值触发阈值比较，当一个采样点被探测到大于这个阈值时，有一定前置触发段和后置触发段的波形被存贮在计算机内存中的32MB环形存储器中，波形长度设置为1ms，触发点前/后为300/700μs，相应触发记录开始时刻标记的时间信息被分别存储在8MB的环形存贮器内。每2分钟形成一个新的数据文件和头文件，前者包含连续的被触发的数据流，后者包含相应的事件时间信息。 
常规数据采集系统使用硬件触发系统，即通过比较传感器输出电压和预先设定的触发电平实现。缺点是为了避免在缓慢浮动背景干扰误触发，触发阈值不得不被设置到相对较高的电平，牺牲了传感器的灵敏度。这些干扰通常是来自电网的60Hz背景干扰、附近云或雷暴的“DC”电场，有时是传感器的偏置。与常规数据采集系统使用硬件触发系统不同，本实用新型采用的触发系统完全是软件设置的，可灵活执行不同的触发算法，克服了上述的缺点。本实用新型的触发器算法以2kHz数据流平均的方式，连续监视低频的非闪电的干扰，设置成依赖于浮动背景的双极性触发器。 
在高速数据采集中，另一个缺点是在每次触发后必须有很长时间的死时间(10ms～30ms)，(主要是由于采集触发后要传数据、存盘，然后重新设置触发等)。这归因于那时的计算机和计算机级的数字化技术。借助于从数字化仪到计算机存贮器连续数据传输的能力， 软件基浮动触发算法，本研究中的数据采集系统消除了连续触发之间的死时间，几乎不受背景干扰制约。 
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。 

Claims (4)

1.一种甚低频金闪电定位系统，其特征在于，该系统包括至少四个闪电定位监测站点，所述闪电定位监测站点内设有甚低频闪电辐射接收机、GPS接收机、数据采集卡和计算机，所述数据采集卡设置在所述计算机内；所述甚低频闪电辐射接收机与所述计算机相连，用于探测闪电产生的瞬态电场变化，并将闪电瞬态电场变化信号传送给所述计算机；所述GPS接收机与所述计算机相连，用于采样频率校正，输出准确的频率信号，同时也向系统提供精确的时间基准。
2.如权利要求1所述的甚低频全闪电定位系统，其特征在于，所述甚低频闪电辐射接收机包括依次连接的接收天线、积分放大器、滤波器、驱动输出电路、模/数转换电路及记录设备。
3.如权利要求2所述的甚低频全闪电定位系统，其特征在于，计算机内设有数据采集卡及数据采集软件。
4.如权利要求2所述的甚低频全闪电定位系统，其特征在于，所述甚低频闪电辐射接收机设置在室外的玻璃钢防护罩内。 
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Cited By (4)

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