CN204903659U - 一种用于雷电定位的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于雷电定位的装置，其包括：磁场探测天线和电场探测天线，其分别用于获取磁场感应信号和电场感应信号；雷电信号处理电路，其与磁场探测天线和电场探测天线连接，用于分别对磁场感应信号和电场感应信号进行处理并得到对应的数字雷电信号；特征属性参量提取电路，其与雷电信号处理电路连接，用于从数字雷电信号中提取得到特征属性参量；通信模块，其与特征属性参量提取电路连接，用于将特征属性参量向外发送。该装置能够实现原始雷电数据样本的快速、准确采集，从而为中心站进行雷电定位以及分析提供了依据。

Description

一种用于雷电定位的装置

技术领域

本实用新型涉及雷电定位技术领域，具体地说，涉及一种用于雷电定位的装置。

背景技术

雷电不仅能够引起森林、油库火灾，还能够造成供电、通信系统故障或损坏，对航空航天、矿山及一些重要而敏感的高技术装备造成重大威胁。雷电具有瞬时性和随机性，这也就增加了雷电防护工程设计和雷电事故分析的难度。而雷电定位技术则为解决这一难题提供了支撑。

雷电定位系统可以实时获得雷电的发生时间、发生位置以及雷电流强度等有效信息，这些资料对雷灾事故查询和雷电灾害评估至关重要。

随着国家经济与社会发展以及技术的不断提高，从灾害监测预警以及安全角度出发，国家对雷电监测、预警以及应用提出了更高的要求。而现有的雷电定位仪年代久远，已无法满足当前的要求。

实用新型内容

为解决上述问题，本实用新型提供了一种用于雷电定位的装置，包括：

磁场探测天线和电场探测天线，其分别用于获取磁场感应信号和电场感应信号；

雷电信号处理电路，其与所述磁场探测天线和电场探测天线连接，用于分别对所述磁场感应信号和电场感应信号进行处理并得到对应的数字雷电信号；

特征属性参量提取电路，其与所述雷电信号处理电路连接，用于从所述数字雷电信号中提取得到特征属性参量；

通信模块，其与所述特征属性参量提取电路连接，用于将所述特征属性参量向外发送。

根据本实用新型的一个实施例，所述磁场探测天线包括第一磁场探测天线和第二磁场探测天线，所述第一磁场探测天线与第二磁场探测天线为一对沿南北方向和东西方向正交垂直设置的天线。

根据本实用新型的一个实施例，所述雷电信号处理电路包括：

第一信号处理电路，其与所述第一磁场探测天线连接，用于对所述第一磁场探测天线产生的第一磁场感应信号进行处理并得到对应的数字信号；

第二信号处理电路，其与所述第二磁场探测天线连接，用于对所述第二磁场探测天线产生的第二磁场感应信号进行处理并得到对应的数字信号。

根据本实用新型的一个实施例，所述第一信号处理电路包括：

运算放大电路，其与所述第一磁场探测天线连接；

滤波电路和积分电路，所述滤波电路连接在所述运算放大电路与所述积分电路之间；

模数转换电路，其与所述积分电路连接。

根据本实用新型的一个实施例，所述雷电信号处理电路还包括：

第三信号处理电路，其与所述电场探测天线连接，用于对所述电场探测天线产生的电场感应信号进行处理并得到对应的数字信号。

根据本实用新型的一个实施例，所述第一信号处理电路、第二信号处理电路和第三信号处理电路的结构相同。

根据本实用新型的一个实施例，所述装置还包括：

自检电路，其与所述磁场探测天线、电场探测天线以及特征属性参量提取电路连接，用于产生自检信号并根据所述自检信号模拟出相应的雷电信号，以由所述磁场探测天线和电场探测天线响应所述雷电信号，所述自检电路通过所述特征属性参量提取电路获取对应的特征属性参量，并将所述自检信号的特征与得到的特征属性参量进行匹配，根据匹配结果判断所述装置的状态。

根据本实用新型的一个实施例，所述自检电路包括：

自检信号生成电路，其用于产生自检信号；

雷电信号波形模拟电路，其与所述自检信号生成电路连接，用于根据所述自检信号模拟出相应的雷电信号；

信号匹配电路，其与所述自检信号生成电路和特征属性参量提取电路连接，用于将所述特征属性参量提取电路响应所述自检信号所得到的特征属性参量与所述自检信号进行匹配，并根据匹配结果判断所述装置的状态。

根据本实用新型的一个实施例，所述雷电信号波形模拟电路包括雷电磁场模拟电路和雷电电场模拟电路。

根据本实用新型的一个实施例，所述雷电磁场模拟电路包括电流方向切换模块和磁场自检天线，其中，所述电流方向切换模块与所述自检信号生成电路连接，所述磁场自检天线与所述电流切换模块连接，同时，所述磁场自检天线还与所述磁场探测天线耦接，所述电流方向切换模块配置为在所述自检信号中的自检时序信号的控制下切换流经所述磁场自检天线的自检电流的方向。

根据本实用新型的一个实施例，所述雷电电场模拟电路包括：

分压电路，其与所述自检信号生成电路连接，用于根据所述自检信号生成第一电压信号和第二电压信号；

电压变换器，其与所述分压电路连接，用于切换所述第一电压信号和第二电压信号的输出端口；

差分电路和电场自检天线，所述差分电路连接在所述电压变换器与电场自检天线之间，所述电场自检天线与所述电场探测天线耦接。

根据本实用新型的一个实施例，所述自检电路还包括：

电平转换电路，其连接在所述自检信号生成电路与雷电信号波形模拟电路之间，用于对所述自检信号进行电平转换，并将电平转换后的自检信号传输给所述雷电信号波形模拟电路。

根据本实用新型的一个实施例，所述装置还包括：

GPS信号接收电路，其与所述特征属性参量提取电路连接。

本实用新型所提供的用于雷电定位的装置能够实现原始雷电数据样本的准确采集，从而为中心站进行雷电定位以及分析提供了依据。同时，该装置还具有自检功能，其能够提高装置的可靠性以及装置所采集到的数据的准确定以及可靠性。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图示出了本实用新型的各方面的各种实施例，并且它们与说明书一起用于解释本实用新型的原理。本技术领域内的技术人员明白，附图所示的特定实施例仅是实例性的，并且它们无意限制本实用新型的范围。应该认识到，在某些示例中，被示出的一个元件也可以被设计为多个元件，或者多个元件也可以被设计为一个元件。在某些示例中，被示出为另一元件的内部部件的元件也可以被实现为该另一元件的外部部件，反之亦然。为了更加清楚、详细地本实用新型的示例性实施例以使本领域技术人员能够对本实用新型的各方面及其特征的优点理解得更加透彻，现对附图进行介绍，在附图中：

图1是根据本实用新型一个实施例的用于雷电定位的装置的结构示意图；

图2是根据本实用新型一个实施例的第一信号处理电路的结构示意图；

图3是根据本实用新型一个实施例的自检电路的结构示意图；

图4是根据本实用新型一个实施例的雷电磁场模拟电路的结构示意图；

图5是根据本实用新型一个实施例的雷电电场模拟电路的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本实用新型的实施方式，借此对本实用新型如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本实用新型中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本实用新型的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本实用新型实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本实用新型可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

图1示出了本实施例所提供的用于雷电定位的装置的结构示意图。雷电定位的装置100与中心站105连接，其能够采集雷电的特征属性参量，并将这些特征属性参量发送给中心站105，以由中心站进行进一步地分析，从而确定出雷电的位置。

具体地，如图1所示，本实施例所提供的用于雷电定位的装置100包括：天线模块101、雷电信号处理电路102、特征属性参量提取电路103和通信模块104。其中，天线模块101能够对雷电产生响应从而产生相应的电信号。雷电信号处理电路102与天线模块101连接，其能够对天线模块101所产生的电信号进行处理，最终得到数字雷电信号。特征属相参量提取电路103与雷电信号处理电路102连接，其能够从雷电信号处理电路102所生成的数字雷电信号中提取出所需要的特征属性参量。

具体地，本实施例中，特征属性参量提取电路103所提取出的特征属性参量包括：起点时间、峰点时间、峰点值、陡点时间、陡点值以及过零半周时间等信息。需要说明的是，在本实用新型的其他实施例中，特征属性参量提取电路103所提取出的特征属性参量既可以包含以上所列项中的任一项或几项，也可以包含其他未列出的合理参量，本实用新型不限于此。

特征属性参量提取电路103与通信模块104连接，其能够通过通信模块104将所得到的特征属性参量发送给中心站105，以由中心站105进行进一步地处理。

具体地，天线模块包括磁场探测天线106和电场探测天线107。其中，磁场探测天线106用于获取与雷电磁场有关的磁场感应信号，而电场探测天线107用于获取与雷电电场有关的电场感应信号。其中，磁场感应信号可以用于对雷电进行定位及提取闪电波形特征量，电场感应信号可用于反映雷电的极性。

本实施例中，磁场探测天线106优选地采用正交环形感应天线，即包括第一磁场探测天线106a和第二磁场探测天线106b。第一磁场探测天线106a与第二磁场探测天线106b为一对沿南北方向和东西方向正交垂直放置的天线。电场探测天线107为水平放置。需要说明的是，在本实用新型的其他实施例中，磁场探测天线106和电场探测天线107还可以采用其他合理的形式来实现，本实用新型不限于此。

如图1所示，对应于天线模块101的结构，本实施例中，雷电信号处理电路102包括：第一信号处理电路102a、第二信号处理电路102b和第三信号处理电路102c。其中，第一信号处理电路102a与第一磁场探测天线106a连接，其能够对第一磁场探测天线106a所产生的第一磁场信号进行处理并最终得到对应的数字信号。第二信号处理电路102b与第二磁场探测天线106b连接，其能够对第二磁场探测天线106b所产生的第二磁场信号进行处理并最终得到对应的数字信号。第三信号处理电路102c与电场探测天线107连接，其能够对电场探测天线107所产生的电场信号进行处理并最终得到对应的数字信号。

本实施例中，第一信号处理电路102a、第二信号处理电路102b和第三信号处理电路102c的电路结构相同，因此为了描述的方便，以下以第一信号处理电路102a为例来对雷电信号处理电路的工作原理作进一步地描述。

图2示出了本实施例中第一信号处理电路102a的结构示意图。

如图2所示，本实施例中，第一信号处理电路102a包括：运算放大电路201、滤波电路202、积分电路203和模数转换电路204。其中，运算放大电路201与第一磁场探测天线106a连接，其能够将第一磁场探测天线106a产生的第一磁场信号进行运算放大。需要指出的是，根据设计指标要求，雷电信号动态范围在十几毫伏到几伏区间内变化，而雷电信号处理电路102需要能够根据输入信号的大小调整增益，从而使得雷电信号处理电路能够兼顾近距离和远距离发生的雷电。因此本实施例中，运算放大电路201的增益是可调的。

滤波电路202与运算放大电路201连接。本实施例中，滤波电路203优选地采用低通滤波电路，滤除其他高频干扰

积分电路203与滤波电路202连接，其用于将滤波电路202传输来的感应电压信号还原为磁场强度信号。

模数转换电路204用于对积分电路203所传输来的信号进行模数转换，得到对应的数字信号，并将该数字信号传输到特征属性参量提取电路103中。

需要说明的是，在本实用新型的其他实施例中，雷电信号处理电路102还可以采用其他合理的电路形式，以完成对天线模块101所产生的电信号的放大、滤波以及模数转换等处理过程，本实用新型不限于此。

特征属性参量提取电路103主要是获取不同种类雷电的各种特征属性参量。其中，所获取的特征属性参量包括：起点时间、峰点时间、峰点值、陡点时间、陡点值以及过零半周时间。

本实施例中，特征属性参量提取电路103采用高速数据处理电路的架构。具体的，特征属性参量提取电路103基于FPGA设计完成，其中，FPGA优选地采用Altera公司的EP4CE22系列芯片。当然，在本实用新型的其他实施例中，特征属性参量提取电路103还可以采用其他合理的元器件以及电路形式来实现，本实用新型不限于此。

再次如图1所示，本实施例所提供的用于雷电定位的装置100中还包括有GPS信号接收电路109。GPS信号接收电路109与特征属性参量提取电路103连接，这样特征属性参量提取电路103便可以通过GPS信号接收电路109获取当前的时间信息以及位置信息。

为了保证装置能够正常工作，本实施例所提供的用于雷电定位的装置100还具有自检功能。具体地，如图1所示，该装置通过自检电路108来实现对该装置的自检。自检电路108与磁场探测天线106、电场探测天线107和特征属性参量提取电路103连接，其能够产生自检信号并根据该自检信号模拟出相应的雷电信号，以由磁场探测天线和电场探测天线响应该雷电信号。同时，自检电路108还可以通过特征属性参量提取电路103获取此时的特征属性参量。自检电路108通过判断自检信号与得到的特征属性参量是否匹配，来判断装置的状态。

具体地，如图3所示，本实施例中，自检电路108包括：自检信号生成电路301、电平转换电路302、雷电信号波形模拟电路303以及信号匹配电路304。其中，自检信号生成电路301能产生自检信号，电平转换电路能够对自检信号生成电路301生成的自检信号进行电平转换，并将电平转换后的自检信号发送给雷电信号波形模拟电路303，以由雷电信号波形模拟电路303模拟出相应的雷电信号。

本实施例中，自检信号生成电路301所生成的自检信号的最高电平为3.3V，而通过电平转换电路302则可以将自检信号的最高电平转换为15V。需要说明的是，在本实用新型的其他实施例中，自检信号生成电路301所生成的自检信号的最高电平还可以为其他合理值，同时，电平转换电路302所输出的信号的最高电平也可以为满足雷电信号波形模拟电路303的其他合理值，本实用新型不限于此。同时，还需要指出的是，在必要的情况下，自检电路108中还可以不配置电平转换电路302，本实用新型同样不限于此。

信号匹配电路304与自检信号生成电路301和特征属性参量提取电路103连接，其能够将特征属性参量提取电路103响应自检信号所得到的特征属性参量与自检信号进行匹配，并根据匹配结果判断装置的状态。如果特征属性参数与自检信号不匹配，则表明此时装置存在异常；如果匹配，则表明此时装置正常。

需要说明的是，在本实用新型的不同实施例中，自检信号生成电路301和信号匹配电路304既可以由不同的元器件来实现，也可以由同一元器件来实现，本实用新型不限于此。

本实施例中，雷电信号模拟电路303包括雷电磁场模拟电路和雷电电场模拟电路，图4和图5分别示出了雷电磁场模拟电路和雷电电场模拟电路的结构示意图。

如图4所示，本实施例中，雷电磁场模拟电路包括电流方向切换模块401和磁场自检天线402。其中，电流方向切换模块401的输入端与电平转换电路302连接，输出端与磁场自检天线402连接，磁场自检天线402与磁场探测天线106耦接。本实施例中，电流方向切换开关401能够在自检信号生成电路301所生成的自检时序信号的控制下切换流经磁场自检天线106的电流的方向，而电流的大小则由自检信号中的幅值控制信号决定。

具体地，如图4所示，本实施例中，电流方向切换模块401包括第一切换开关401a和第二切换开关401b。第一切换开关401a的控制端用于接收第一自检时序信号Vctr1，其第一外接端用于接收自检信号中的幅值控制信号，第二外接端接地。类似地，第二切换开关401b的控制端用于接收第二自检时序信号Vctr2，其第一外接端用于接收自检信号中的幅值控制信号，第二外接端接地。

当第一切换开关401a根据第一自检时序信号Vctr1将其输出端口与第一外接端口导通时，此时第二切换开关401b则根据第二自检时序信号Vctr2将其输出端口与第二外接端导通。这样，流经磁场自检天线402的电流便由A端流向B端。

而当第一切换开关401a根据第一自检时序信号Vctr1将其输出端口与第二外接端口导通时，此时第二切换开关401b则根据第二自检时序信号Vctr2将其输出端口与第一外接端口导通。这样，流经磁场自检天线402的电流便由B端流向A端。

根据上述原理，通过不同的自检时序信号便可以模拟出不同方位角的雷电，而该雷电的强度则由自检信号中的幅值控制信号决定。

如图5所示，本实施例所提供的雷电电场模拟电路包括：分压电路501、电压变换器502、差分电路503和电场自检天线504。其中，分压电路501与电平转换电路302连接，其能够根据电平转换电路302传输来的自检信号生成第一电压信号V1和和第二电压信号V2。

具体地，如图5所示，本实施例中，分压电路501包括串联的第一电阻R1和第二电阻R2，其中，第一电阻R1与电平转换电路302连接，第二电阻R2与地连接。这样分压模块501生成的第一电压信号V1也就是自检信号，而第二电压信号V2则为电阻R1与电阻R2公共端的电压信号。

需要说明的是，在本实用新型的其他实施例中，分压电路501还可以采用其他合理的元器件或电路形式来实现，本实用新型不限于此。

电压变换器502能够切换第一电压信号V1和第二电压信号V2的输出管脚，这样差分电路503输出的信号便在V1-V2与V2-V1之间变换，从而使得电场自检天线504能够模拟出的电场能够改变方向。而电场自检天线504所模拟出的电场的强度也就由第一电压信号V1与第二电压信号V2的差值所决定。

本实施例中，通信模块104和自检电路108中的自检信号生成单元是由ARM芯片及其外围电路来实现的。当然，在本实用新型的其他实施例中，上述装置还可以采用其他合理架构来实现，本实用新型不限于此。例如在本实用新型的其他实施例中，上述装置既可以DSP+CPU的架构，也可以采用SoC的架构，抑或是采用带有CPU的FPGA芯片的架构。当采用DSP+CPU的架构时，DSP主要完成实现特征属性参量提取的功能，而CPU主要实现通信以及自检功能。

从上述描述中可以看出，本实施例所提供的用于雷电定位的装置能够实现原始雷电数据样本的快速、准确采集，从而为中心站进行雷电定位以及分析提供了依据，有助于提高雷电分析的效率和及时性。同时，该装置还具有自检功能，其能够提高装置的可靠性以及装置所采集到的数据的准确定以及可靠性。

应该理解的是，本实用新型所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本实用新型的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

为了方便，在此使用的多个项目、结构单元和/或组成单元可出现在共同列表中。然而，这些列表应解释为该列表中的每个元素分别识别为单独唯一的成员。因此，在没有反面说明的情况下，该列表中没有一个成员可仅基于它们出现在共同列表中便被解释为相同列表的任何其它成员的实际等同物。另外，在此还可以连同针对各元件的替代一起来参照本实用新型的各种实施例和示例。应当理解的是，这些实施例、示例和替代并不解释为彼此的等同物，而被认为是本实用新型的单独自主的代表。

虽然上述示例用于说明本实用新型在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本实用新型的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本实用新型由所附的权利要求书来限定。

Claims (13)

1.一种用于雷电定位的装置，其特征在于，包括：

磁场探测天线和电场探测天线，其分别用于获取磁场感应信号和电场感应信号；

雷电信号处理电路，其与所述磁场探测天线和电场探测天线连接，用于分别对所述磁场感应信号和电场感应信号进行处理并得到对应的数字雷电信号；

特征属性参量提取电路，其与所述雷电信号处理电路连接，用于从所述数字雷电信号中提取得到特征属性参量；

通信模块，其与所述特征属性参量提取电路连接，用于将所述特征属性参量向外发送。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述磁场探测天线包括第一磁场探测天线和第二磁场探测天线，所述第一磁场探测天线与第二磁场探测天线为一对沿南北方向和东西方向正交垂直设置的天线。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述雷电信号处理电路包括：

第一信号处理电路，其与所述第一磁场探测天线连接，用于对所述第一磁场探测天线产生的第一磁场感应信号进行处理并得到对应的数字信号；

第二信号处理电路，其与所述第二磁场探测天线连接，用于对所述第二磁场探测天线产生的第二磁场感应信号进行处理并得到对应的数字信号。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述第一信号处理电路包括：

运算放大电路，其与所述第一磁场探测天线连接；

滤波电路和积分电路，所述滤波电路连接在所述运算放大电路与所述积分电路之间；

模数转换电路，其与所述积分电路连接。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述雷电信号处理电路还包括：

第三信号处理电路，其与所述电场探测天线连接，用于对所述电场探测天线产生的电场感应信号进行处理并得到对应的数字信号。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一信号处理电路、第二信号处理电路和第三信号处理电路的结构相同。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

自检电路，其与所述磁场探测天线、电场探测天线以及特征属性参量提取电路连接，用于产生自检信号并根据所述自检信号模拟出相应的雷电信号，以由所述磁场探测天线和电场探测天线响应所述雷电信号，所述自检电路通过所述特征属性参量提取电路获取对应的特征属性参量，并将所述自检信号的特征与得到的特征属性参量进行匹配，根据匹配结果判断所述装置的状态。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述自检电路包括：

自检信号生成电路，其用于产生自检信号；

雷电信号波形模拟电路，其与所述自检信号生成电路连接，用于根据所述自检信号模拟出相应的雷电信号；

信号匹配电路，其与所述自检信号生成电路和特征属性参量提取电路连接，用于将所述特征属性参量提取电路响应所述自检信号所得到的特征属性参量与所述自检信号进行匹配，并根据匹配结果判断所述装置的状态。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述雷电信号波形模拟电路包括雷电磁场模拟电路和雷电电场模拟电路。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述雷电磁场模拟电路包括电流方向切换模块和磁场自检天线，其中，所述电流方向切换模块与所述自检信号生成电路连接，所述磁场自检天线与所述电流切换模块连接，同时，所述磁场自检天线还与所述磁场探测天线耦接，所述电流方向切换模块配置为在所述自检信号中的自检时序信号的控制下切换流经所述磁场自检天线的自检电流的方向。

11.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述雷电电场模拟电路包括：

分压电路，其与所述自检信号生成电路连接，用于根据所述自检信号生成第一电压信号和第二电压信号；

电压变换器，其与所述分压电路连接，用于切换所述第一电压信号和第二电压信号的输出端口；

差分电路和电场自检天线，所述差分电路连接在所述电压变换器与电场自检天线之间，所述电场自检天线与所述电场探测天线耦接。

12.根据权利要求8～11中任一项所述的装置，其特征在于，所述自检电路还包括：

电平转换电路，其连接在所述自检信号生成电路与雷电信号波形模拟电路之间，用于对所述自检信号进行电平转换，并将电平转换后的自检信号传输给所述雷电信号波形模拟电路。

13.根据权利要求1～6中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

GPS信号接收电路，其与所述特征属性参量提取电路连接。