CN207114739U - 雷电三维磁场数据采集系统 - Google Patents

Abstract

一种雷电三维磁场数据采集系统，根据法拉第电磁感应定律设计了可感应雷电磁场的天线，根据云地闪电磁脉冲的特征，设计了信号调理电路以及A/D转换电路，通过两种触发模块作为采集电路的控制开关，最后使用Qt设计了上位机界面。系统三路通道同步采集，可以对雷电三维磁场峰值信息、雷电发生的时间、方位角以及磁场变化波形进行记录，通过无线网络传输至上位机。本实用新型不仅能为雷电定位及雷电预警提供有效数据，还可以通过采集到的三维磁场数据反演和估算雷电流的峰值、波形和上升时间等重要参量，为间接分析雷电特性提供了一种新的思路。

Description

雷电三维磁场数据采集系统

技术领域

本实用新型属于气象监测技术领域，具体涉及一种雷电三维磁场数据采集系统，由于其低功耗的特点，能够在野外无人看守的条件下应用。

背景技术

雷电是自然界中大气运动的放电现象，包括云闪和地闪，其中对人类社会威胁最大的是地闪。在雷电发生时，不仅大气电场会发生瞬变，还伴随着强烈的电磁脉冲，极易影响当前各种电子、电气设备的正常运行。因此，进行雷电电磁场的全面测量，能为雷电分析提供所需数据，对于雷电定位，雷电预警具有重要意义。

雷电电磁辐射场主要以低频/甚低频（LF/VLF）的方式沿着地球表面传播，根据其放电能量的大小，传播范围可达数百千米或更远。通过在地面上测量放电电流电磁辐射产生的雷电电磁脉冲（lightning electromagnetic pulse，LEMP）磁场和对雷击点及放电通道距离，可实现对地闪电流的间接测量。用两个以上的正交线圈，不仅可以对LEMP磁场进行测量，还可以为雷电进行定位。因此，对LEMP磁场的有效测量是进行雷电防护的首要前提。当前对于雷电磁场测量的方法有许多，如电磁感应法、磁共振法、磁通门法等。在众多测量方法中，主要是针对一维或二维的磁场测量，得到的数据不够全面，难以充分的认识雷电发生的变化规律。有些雷电磁场测量系统直接使用了示波器对磁场波形进行显示，可以看出磁场的变化波形，但不能准确的测出磁场强度的大小。传统的数据采集是工控机配合采集卡进行工作，体积大，功耗大，在野外使用时受到限制。近年来随着嵌入式系统的发展，具有单片机的体积小、低功耗的优点，但功能趋向PC机CPU的ARM微处理器，在许多领域得到广泛应用。

实用新型内容

本实用新型的针对现有技术中的不足，提供一种雷电三维磁场数据采集系统。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种雷电三维磁场数据采集系统，其特征在于，包括：磁场感应天线、主控制器、信号调理电路、A/D转换电路、触发电路、无线接收装置、GPS装置、上位机及金属屏蔽外壳，主控制器、信号调理电路、A/D转换电路、触发电路、无线接收装置、GPS装置和上位机均安装在金属屏蔽外壳中；磁场感应天线测量磁场产生的感应电动势信号，并将信号传输至信号调理电路，信号调理电路分别与A/D转换电路和触发电路相连，A/D转换电路、触发电路和GPS装置均连接至主控制器，触发电路作为A/D转换电路的工作开关，当触发电路检测到雷电发生时，主控制器使能A/D转换电路，A/D转换电路采集经过信号调理电路调理的信号并转换为数字信号，并将数字信号发送给主控制器，同时GPS装置记录雷电发生的时间并发送给主控制器，主控制器对数字信号进行计算，并通过无线接收装置传输给上位机进行显示。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

信号调理电路包括依次相连的前置放大电路、滤波电路和主放大电路，磁场感应天线测量的感应电动势信号先经过前置放大电路放大达到既定的电压要求，再通过滤波电路过滤噪声，最后经过主放大电路进行二次放大。

前置放大电路采用运算放大器AD817，滤波电路采用通带范围为1kHz-1MHz的带通滤波器，主放大电路采用运算放大器AD818和多路开关选择器ADG5208相配合，构成1-100倍的程控放大器。

磁场感应天线采用内外导体结构，其中内导体由三个互相正交的环形线圈构成，线圈为带有绝缘外皮的铜线，每个线圈的外导体为通过绝缘接口连接的四段铝管，内导体的铜线通过铝管的间隙处引出，与前置放大器相连。

每个环形线圈的面积为0.64m²，匝数为1。

触发电路包括光电触发模块和阈值触发模块，光电触发模块通过光电二极管感应闪电的光后产生电流，经过I-V转换器后变为电压信号，通过高通滤波器过滤背景噪声后，经过后端电压比较器进行开关控制；阈值触发模块采用程控放大，若检测到放大后的信号大于阈值，则判断雷电的发生。

当光电触发模块和阈值触发模块都判断有雷电发生时，主控制器使能A/D转换电路。

主控制器选择ARM11核心处理器，A/D转换电路采用AD9248芯片。

本实用新型的有益效果是：可置于野外无人看守的环境，体积小，功耗低，对于多点测量使用更加轻便；由三路通道同时进行采集，可有效对1MHz带宽以内的LEMP磁场进行全面的测量；可通过上位机直观的观察雷电信息，包括三维磁场的峰值信息、雷电发生的时间、雷电的方位角以及雷电的磁场变化波形，为雷电定位以及雷电预警提供了有效的前端技术支持。

附图说明

图1是本实用新型的系统原理框图。

图2是本实用新型的天线结构示意图。

图3是本实用新型的系统工作流程图。

具体实施方式

现在结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1所示的雷电三维磁场数据采集系统，主要包括：磁场感应天线、主控制器、信号调理电路、A/D转换电路、触发电路、无线接收装置、GPS装置、上位机及金属屏蔽外壳，除磁场感应天线以外的部分均安装在金属屏蔽外壳中，金属屏蔽外壳不仅对系统起到保护作用，又能防止系统工作时，雷电电磁脉冲给系统带来干扰。磁场感应天线测量磁场产生的感应电动势信号，并将信号传输至信号调理电路，信号调理电路分别与A/D转换电路和触发电路相连，A/D转换电路、触发电路和GPS装置均连接至主控制器，触发电路作为A/D转换电路的工作开关，当触发电路检测到雷电发生时，主控制器使能A/D转换电路，A/D转换电路采集经过信号调理电路调理的信号并转换为数字信号，并将数字信号发送给主控制器，同时GPS装置为系统授时，记录雷电发生的时间并发送给主控制器，主控制器对数字信号进行计算，并通过无线接收装置传输给上位机进行显示。接下来，对系统各部分的具体设计进行描述。

磁场感应天线

雷电发生时产生的电磁脉冲可分解为三个方向，即东西、南北和垂直方向。因此，设计三个互相正交的环形线圈分别采集不同方向上的磁场强度，因为天线与信号处理电路相距较远，采用同轴电缆可以屏蔽一些干扰，减小传输过程带来的误差。天线采用内外导体结构，其中内导体即线圈，为带有绝缘外皮的铜线，接地的外导体为四段铝管，通过绝缘接口连接，内导体的铜线通过铝管的间隙处引出，与前置放大器连接。这样的天线设计不但大大减小了铝管屏蔽测点处电场对磁场测量的干扰，而且因铝管通过绝缘接口连接不能形成导电环路，从而确保管内铜线线圈对磁场信号的接收。由于线圈的匝数N和面积S影响天线的灵敏度和测量频带，并且与电感L有函数关系，这里将每个线圈面积设计为0.64m²，匝数为1。

天线简化图如图2所示，线圈1测量南北方向的磁场，同理，线圈2、3分别测量东西和垂直方向的磁场，图中的虚线表示支架。在一定范围内，任意地点发生雷电现象产生的电磁脉冲都会经过线圈，通过线圈1，2的磁通量产生电动势V_NS和V_EW，计算arctan（V_NS/V_EW）即可得出雷电发生的方位角，传统的雷电定位方法，就是在探测场地安装两个以上的探测系统，便可以对雷电进行定位。在此，可以直接使用东西与南北方向的磁场峰值即B_EW和B_NS，通过计算arctan（B_NS/B_EW）便可以得出雷电的方位角。

主控制器

本系统是对雷电发生时产生的电磁脉冲的测量，由于磁场是瞬变的，且频率在1kHz到1MHz之间，必须使用灵敏的传感器以及高速的处理器，才能进行有效采集，因此，处理器选用ARM11微处理器。

信号调理电路

天线采集到的信号要通过信号调理后才能送到A/D转换电路，信号调理电路包括依次相连的前置放大、滤波和主放大电路，磁场感应天线测量的感应电动势信号先经过前置放大电路放大达到既定的电压要求，再通过滤波电路过滤噪声，最后经过主放大电路进行二次放大。采用运算放大器AD817作为前置放大器，低成本，低功耗的高速运算放大器非常适合信号调理和数据采集的应用。通过AD827设计带通滤波器，通带范围为1kHz-1MHz。用AD818运算放大器，与多路开关选择器ADG5208配合使用，构成了1-100倍的程控放大器。

A/D转换电路

A/D转换部分是模拟信号与处理器进行交互的核心，采用AD9248芯片，并配合数据缓存器，保证数据转换后的稳定传输。经过二次放大后的信号连接到AD9248芯片，进行模数转换。

触发电路

一般情况下雷电不会一直发生，如果系统持续进行采集工作，不仅浪费能耗，而且存储空间很容易被填满溢出，无法继续获得有效的数据。因此设计触发电路，作为后续采集电路（即A/D转换电路）的工作开关，在收到未达到触发信号要求的信号时，A/D转换电路不工作，保证系统续航能力。触发电路分为两种，一种是光电触发，另一种是通过判断二次放大后的信号是否达到了阈值进而触发。

光电触发：光电二极管感应到闪电的光后产生电流，经I-V转换器后变为电压信号。由于系统工作在野外环境，所以白天时候不可避免会有地表和云层反射的太阳光带来的背景噪声，但背景噪声与雷电信号的能量在频率分布上是不同的，利用这一点可以用高通滤波器将背景噪声滤掉，通过后端电压比较器用来进行开关控制。

阈值触发：主放大电路为程控放大，初始化后选择最小放大倍数，若检测到放大后的信号大于阈值，则判断可能有雷电发生。

工作时，只有当两种方式都判断为有雷电发生时，处理器才产生中断，使能A/D芯片，使采集电路（即A/D转换电路）开始工作。

此外，系统还可采用太阳能蓄电池为电源供电，增加系统的续航能力。

系统的工作流程如图3所示，系统上电后开始运行，首先进行系统初始化，将系统运行所需的引脚、中断、定时器等进行配置。与上位机连接后进行设备检测，若上位机显示“设备连接成功”，则开始等待触发信号。当触发信号产生中断，比较器判断信号是否达到A/D芯片输入范围，若达到输入要求，处理器立即使能A/D芯片，并发出时钟信号，进行A/D转换,否则逐级增加放大倍数，直至达到A/D芯片输入要求。达到预设时间后，失能A/D芯片，转换结束。转换后的数字信号经过处理器计算后送到上位机显示，一次周期完成后返回等待触发信号状态。

相比于传统的LEMP磁场测量系统，该系统可置于野外无人看守的环境，体积小，功耗低，对于多点测量时，使用更加轻便。系统由三路通道同时进行采集，经理论研究表明，可有效对1MHz带宽以内的LEMP磁场进行全面的测量。可通过上位机直观的观察雷电信息，包括三维磁场的峰值信息，雷电发生的时间，雷电的方位角以及雷电的磁场变化波形，不仅能为雷电定位及雷电预警提供有效数据，还可以通过采集到的三维磁场数据反演和估算雷电流的峰值、波形和上升时间等重要参量，为间接分析雷电特性提供了一种新的思路。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。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原理前提下的若干改进和润饰，应视为本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种雷电三维磁场数据采集系统，其特征在于，包括：磁场感应天线、主控制器、信号调理电路、A/D转换电路、触发电路、无线接收装置、GPS装置、上位机及金属屏蔽外壳，主控制器、信号调理电路、A/D转换电路、触发电路、无线接收装置、GPS装置和上位机均安装在金属屏蔽外壳中；磁场感应天线测量磁场产生的感应电动势信号，并将信号传输至信号调理电路，信号调理电路分别与A/D转换电路和触发电路相连，A/D转换电路、触发电路和GPS装置均连接至主控制器，触发电路作为A/D转换电路的工作开关，当触发电路检测到雷电发生时，主控制器使能A/D转换电路，A/D转换电路采集经过信号调理电路调理的信号并转换为数字信号，并将数字信号发送给主控制器，同时GPS装置记录雷电发生的时间并发送给主控制器，主控制器对数字信号进行计算，并通过无线接收装置传输给上位机进行显示。

2.如权利要求1所述的一种雷电三维磁场数据采集系统，其特征在于：信号调理电路包括依次相连的前置放大电路、滤波电路和主放大电路，磁场感应天线测量的感应电动势信号先经过前置放大电路放大达到既定的电压要求，再通过滤波电路过滤噪声，最后经过主放大电路进行二次放大。

3.如权利要求2所述的一种雷电三维磁场数据采集系统，其特征在于：前置放大电路采用运算放大器AD817，滤波电路采用通带范围为1kHz-1MHz的带通滤波器，主放大电路采用运算放大器AD818和多路开关选择器ADG5208相配合，构成1-100倍的程控放大器。

4.如权利要求2所述的一种雷电三维磁场数据采集系统，其特征在于：磁场感应天线采用内外导体结构，其中内导体由三个互相正交的环形线圈构成，线圈为带有绝缘外皮的铜线，每个线圈的外导体为通过绝缘接口连接的四段铝管，内导体的铜线通过铝管的间隙处引出，与前置放大器相连。

5.如权利要求4所述的一种雷电三维磁场数据采集系统，其特征在于：每个环形线圈的面积为0.64m²，匝数为1。

6.如权利要求1所述的一种雷电三维磁场数据采集系统，其特征在于：触发电路包括光电触发模块和阈值触发模块，光电触发模块通过光电二极管感应闪电的光后产生电流，经过I-V转换器后变为电压信号，通过高通滤波器过滤背景噪声后，经过后端电压比较器进行开关控制；阈值触发模块采用程控放大，若检测到放大后的信号大于阈值，则判断雷电的发生。

7.如权利要求6所述的一种雷电三维磁场数据采集系统，其特征在于：当光电触发模块和阈值触发模块都判断有雷电发生时，主控制器使能A/D转换电路。

8.如权利要求1所述的一种雷电三维磁场数据采集系统，其特征在于：主控制器选择ARM11核心处理器，A/D转换电路采用AD9248芯片。