CN204758733U - 一种基于fpga的雷电光学影像采集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型适用于雷电信息监测设备技术领域，提供了一种基于FPGA的雷电光学影像采集装置，包括光电转换模块、高通滤波模块、AD采样模块、FPGA模块和摄像机，光电转换模块将雷电的光辐照信号转换为电信号，高通滤波模块对电信号进行高通滤波，AD采样模块对滤波后的电信号转换成数字信号，FPGA模块对AD采样模块输出的信号进行处理后输出闪电触发信号，摄像机根据闪电触发信号获取触发时刻前后1～3秒钟的影像数据并输出给FPGA模块，FPGA模块对影像数据进行存储和压缩后发送。本实用新型具有不受背景光干扰，准确度高，结构简单、方便安装等特点，可广泛用于架空线路、建筑物或其他地面物体的雷电图像拍摄研究。

Description

一种基于FPGA的雷电光学影像采集装置

技术领域

本实用新型属于雷电信息监测设备技术领域，更具体地，涉及一种基于FPGA的雷电光学影像采集装置。

背景技术

雷电是自然界的一种常见的云层-大地间放电现象，伴随着巨大的能量释放和强烈的破坏作用。电力输电线路的杆塔一般是所在区域的最高点，常常成为雷电发生的首选对象，研究结果表明，雷电对电力输电系统的破坏造成了巨大的安全隐患和经济损失，因此，研究雷电在输电线路杆塔上的形成过程，探索有效的防雷和避雷措施，就需要对雷电发展演化过程进行精细测量，分析雷电特性和雷击过程，直接获取现场数据，具有重要的现实意义。目前，我国正在研究雷击输电线路光学影像资料的拍摄方法，技术瓶颈在于对雷击信号的自动捕获并触发拍摄设备记录有效信息。

雷电信息的捕获有多种方式，例如，基于电磁感应式电场强度计采集雷电信号，采用滤波器筛选出目标雷电信号，但这种方式噪声辨识度较差，容易产生误触发；基于振动式或旋转式电场探测器则是根据运动电场的缓慢变化量来判断雷电发生时间，具有响应快，灵敏度高等优点，但是成本高、探测范围有限，机械结构复杂。此外，还有基于电晕电流的雷电探测器，通过放大尖端导体释放的电荷产生场强，得到雷电信号的纵向幅值及场强变化率，该方法虽然比电场强度计简单，但由于受到电荷的干扰、灵敏度低，容易发生漏触发和误触发。这些方法的共同特点是在雷电发生前启动图像采集装置，获取可能的雷电影像数据，因此存在较高频率的误判和漏判。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种基于FPGA的雷电光学影像采集装置，由此解决现有技术中由于在雷电发生前触发图像采集装置导致雷电数据采集的误判或漏判的技术问题。

本实用新型提供了一种基于FPGA的雷电光学影像采集装置，包括：

用于将雷电的光辐照信号转换为电信号的光电转换模块；

其输入端与所述光电转换模块的输出端连接，用于对所述电信号进行高通滤波的高通滤波模块；

其输入端连接至所述高通滤波模块的输出端，用于对滤波后的电信号进行转换的AD采样模块；

用于根据闪电触发信号获取触发时刻前后1～3秒钟的影像数据并将所述影像数据输出的摄像机；以及FPGA模块，其第一输入端连接至所述AD采样模块的输出端，其输出端连接至所述摄像机的输入端，其第二输入端连接至所述摄像机的输出端，对所述AD采样模块输出的信号进行处理后输出所述闪电触发信号，并对所述影像数据进行存储和压缩后发送。

更进一步地，所述FPGA模块包括：

数字滤波器模块，其输入端作为所述FPGA模块的第一输入端，对所述AD采样模块的输出进行滤波；

比较器模块，其输入端连接至所述数字滤波器模块的输出端，对滤波后的信号进行比较判断并输出比较结果；

运算处理单元，其第一输入端连接至所述比较器模块的输出端，其第二输入端作为所述FPGA模块的第二输入端，用于根据比较结果输出所述闪电触发信号；以及

连接在所述运算处理单元的控制端的存储单元。

更进一步地，所述雷电光学影像采集装置还包括用于给光电转换模块、高通滤波模块、AD采样模块、摄像机和FPGA模块供电的电源模块。

更进一步地，所述光电转换模块可以采用型号为S6967的硅光电池，其响应频率为50MHz。

更进一步地，所述高通滤波模块可以采用型号为INA333的仪表运算放大器。

更进一步地，FPGA模块可以采用型号为EP4CE10E22C8N的芯片。

更进一步地，安装时，所述摄像头和所述光电转换模块朝向输电线路杆塔顶端或者监测区域的制高点。

本实用新型采用有效探测雷电的光辐照，通过FPGA模块进行雷电信号解析，给摄像机传输有效的触发信号，将触发时刻前后1～3秒钟的影像信息保存在存储器中，且具有不受背景光干扰，白天黑夜均可探测雷电闪光信号，准确度高，避免了雷电数据采集的误判或漏判；具有准确度高，结构简单、方便安装等特点。

附图说明

图1是本实用新型提供的基于FPGA的雷电光学影像采集装置结构示意图；

图2是FPGA模块内部结构示意图；

图3是一次闪电过程中闪电光强与时间的关系图；

图4是基于FPGA的雷电信号分析流程图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如果在雷电发生时产生有效的雷电触发信号，对触发时刻前后的数据进行采集和读取，将大大降低误判和漏判的可能性；本实用新型正是基于此才提出了一种用于监测雷电光学影像信息的实验装置，可用于监测记录雷电次数，并采用专业摄像机拍摄有效的雷电影像资料。

本实用新型提供的一种基于FPGA的雷电光学影像采集装置包括摄像机、光电转换模块、高通滤波模块、AD采样模块、FPGA模块以及为整个装置提供工作电能的电源模块；光电转换模块与高通滤波模块相连、高通滤波模块的输出与AD采样模块的输入相连、FPGA模块分别与AD采样模块和摄像机相连；FPGA模块通过数字滤波器模块、比较器模块、运算处理单元和存储单元完成背景噪声去除、阀值触发和上升速率判断等三个过程，实现闪电触发信号的准确提取，从而获得有效的闪电触发信号，并输出给摄像机，将触发时刻前后1～3秒钟的影像数据传输给FPGA模块的存储单元，进行压缩和发送。

本实用新型采用FPGA内置的逻辑门电路构成数字滤波器模块、比较器模块、运算处理单元和存储单元，其中数字滤波器模块与FPGA外部输入输出接口相连，实现外部输入信号的数字滤波，去除背景噪声；比较器模块与数字滤波器模块相连，实现输入信号与阈值的比较，如果外部输入值小于阈值，则不输出闪电触发信号，如果经过数字滤波模块处理的信号大于阈值，则运算处理单元启动上升速率判断程序，如果上升速率超过背景光噪声的变化速率，则输出一个闪电触发信号；其中运算处理单元与比较器模块和存储单元相连，完成所有运算功能。整个FPGA模块有效实现雷电图像信息的直接采集和存储，具有全天候探测雷电闪光信号，准确度高，不受背景光线干扰，结构简单、方便安装等特点。

本实用新型提供的雷电光学影像采集装置，采用高速的光电转换模块，结合背景噪声去除、阀值触发和上升速率判断等处理过程，获取更加准确的雷电触发信号；摄像机记录了高清视频信息，通过截取触发时刻前后1～3秒钟的数据传输，有效降低了视频无线通信的数据量，通过FPGA将视频数据存储在本地服务器，方便数据的自动保存和远程传输，大大提高了数据的可靠性和稳定性。与现有的设备相比，本装置还具有抗干扰能力、设备简单和使用方便等优点。

为了更进一步的说明本实用新型提供的基于FPGA的雷电光学影像采集装置，现结合附图及具体实施例详述如下：

如图1所示，基于FPGA的雷电光学影像采集装置包括摄像机、光电转换模块、高通滤波模块、AD采样模块、FPGA模块以及为整个装置提供工作电能的电源模块；所述光电转换模块与高通滤波模块相连、高通滤波模块的输出与AD采样模块的输入相连、FPGA模块分别与AD采样模块和摄像机相连；FPGA模块包括有运算处理单元和存储单元，该运算处理单元通过分析AD采样模块的数据，通过背景噪声去除、阀值触发和上升速率判断等三个过程获得有效的雷电信号，并输出一个触发信号给摄像机，将触发时刻前后1～3秒钟的影像数据传输给FPGA的存储单元进行压缩存储。

在本实用新型中，光电转换模块可以采用S6967硅光电池，其响应频率为50MHz。高通滤波模块可以采用INA333仪表运算放大器设计有源滤波器。FPGA模块可以为EP4CE10E22C8N芯片。

本实用新型的电路设计采用低功耗电路，便于长时间野外测量和携带。

图2示出了FPGA模块内部结构，为了便于说明，仅示出了与本实用新型相关的部分，FPGA模块包括：数字滤波器模块、比较器模块、运算处理单元和存储单元；数字滤波器模块的输入端作为FPGA模块的第一输入端，数字滤波器模块对AD采样模块的输出进行滤波；比较器模块的输入端连接至数字滤波器模块的输出端，比较器模块对滤波后的信号进行比较判断并输出比较结果；运算处理单元的第一输入端连接至比较器模块的输出端，运算处理单元的第二输入端作为FPGA模块的第二输入端，运算处理单元根据比较结果输出闪电触发信号；存储单元连接在运算处理单元的输出端。

本实用新型提供的装置主要用于监测输电线路杆塔区域的雷电图像，一般安装在输电线杆塔的可视距离范围内，并采用一定高度的支架固定，或者安装在一定高度的建筑物，摄像头和光电转换模块朝向输电线路杆塔顶端。当输电线杆塔或周围发生雷电时，本装置接收环境背景光为突发的闪光信号，因此光源信号主要由两部分组成：一是被探测信号，雷电光；二是干扰信号，背景光。由于雷电产生光能量极高，光信号的频谱特征复杂，频率主要集中在1kHz～5kHz。而背景噪声主要来自于地表和云层反射的太阳光，其变化非常缓慢，可看作高斯限带白噪声，能量频谱分布主要集中在300Hz以下。因此可根据雷电产生的光辐照与背景光的频率差异消除噪声干扰，从而将雷电信号中的背景光噪声信号滤除。另外，在野外还有其他环境光线的干扰，但与雷电光信号的频谱都不相同，其滤波过程同样有效。

图3为一次闪电过程中闪电光强与时间的关系图，依据附图3可知，闪电信号的有效脉冲宽度大约为590μs。雷电光信号的强度较大，高能粒子衰减迅速，持续时间小于75μs。环境光噪声一般是震荡信号，持续时间长，因此通过综合分析阀值和上升速率可判断光电转换模块监测到的信号是否为雷电光信号。

图4为本实用新型提供了一种基于FPGA的雷电光学影像采集装置中FPGA模块的工作过程如下：工作时，FPGA从AD采样模块获取数据，内部运算单元将从AD采样模块获取的数据与预设的阀值(阈值为当次采样之前20秒时间内光强信号的平均值)进行比较，如果比阀值大就进行上升速率(计算AD采样数据的变化率)和持续时间(AD采样数据变化经历时间)的分析，并输出有效闪电信号，如果比阀值小就进行背景计算(即将无效触发信号的数据直接计入阈值计算的数据，进行下一个时刻的阈值计算)，因为环境噪声是缓慢变化的过程，根据背景计算的结果对装置感应的阀值重新赋值。FPGA内建FIFO，用于存储高速AD采集的数据，当有效闪电信号被判断成功则清空FIFO空间重新计算。

经过证明，本实用新型可有效探测雷电的光辐照，并在给摄像机传输有效的触发信号，将触发时刻前后1-3秒钟的影像信息保存在FPGA中，且具有不受背景光干扰，白天黑夜均可探测雷电闪光信号，准确度高，结构简单、通用性好、方便安装等特点。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于FPGA的雷电光学影像采集装置，其特征在于，包括：

用于将雷电的光辐照信号转换为电信号的光电转换模块；

其输入端与所述光电转换模块的输出端连接，用于对所述电信号进行高通滤波的高通滤波模块；

其输入端连接至所述高通滤波模块的输出端，用于对滤波后的电信号进行转换的AD采样模块；

用于根据闪电触发信号获取触发时刻前后1～3秒钟的影像数据并将所述影像数据输出的摄像机；以及FPGA模块，其第一输入端连接至所述AD采样模块的输出端，其输出端连接至所述摄像机的输入端，其第二输入端连接至所述摄像机的输出端，对所述AD采样模块输出的信号进行处理后输出所述闪电触发信号，并对所述影像数据进行存储和压缩后发送。

2.如权利要求1所述的雷电光学影像采集装置，其特征在于，所述FPGA模块包括：

数字滤波器模块，其输入端作为所述FPGA模块的第一输入端，对所述AD采样模块的输出进行滤波；

比较器模块，其输入端连接至所述数字滤波器模块的输出端，对滤波后的信号进行比较判断并输出比较结果；

运算处理单元，其第一输入端连接至所述比较器模块的输出端，其第二输入端作为所述FPGA模块的第二输入端，用于根据比较结果输出所述闪电触发信号；以及

连接在所述运算处理单元的控制端的存储单元。

3.如权利要求1所述的雷电光学影像采集装置，其特征在于，所述雷电光学影像采集装置还包括用于给所述光电转换模块、所述高通滤波模块、所述AD采样模块、所述摄像机和所述FPGA模块供电的电源模块。

4.如权利要求1所述的雷电光学影像采集装置，其特征在于，所述光电转换模块采用型号为S6967的硅光电池，其响应频率为50MHz。

5.如权利要求1所述的雷电光学影像采集装置，其特征在于，所述高通滤波模块采用型号为INA333的仪表运算放大器。

6.如权利要求1所述的雷电光学影像采集装置，其特征在于，FPGA模块采用型号为EP4CE10E22C8N的芯片。

7.如权利要求1-6任一项所述的雷电光学影像采集装置，其特征在于，安装时，所述摄像头和所述光电转换模块朝向输电线路杆塔顶端或者监测区域的制高点。