CN213957498U - 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 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了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，包括地闪雷电探测单元、雷电预警单元、闪电光学图像记录单元、以及统一的GNSS卫星授时单元、电源与通信单元。地闪雷电探测单元接收雷电活动电磁场信号，处理后输出雷电精确定位及时间信息；雷电预警单元接收雷电发生前大气电场变化波形信息，处理后输出雷电预警数据；闪电光学图像记录单元实时采集闪电发生时光学图像，经处理后输出完整闪电图像数据及时间信息；所述GNSS卫星授时单元为前述各工作单元提供精准定位及授时信息；电源与通信单元为前述个工作电源提供可靠电源、各模块间及各模块与远端中心站间通信。本装置集成雷电探测、雷电预警、闪电光学拍摄功能，解决了各系统独立建设运行存在的成本较高、效率较低、及通信资源紧缺的问题。

Description

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

技术领域

本实用新型属于雷电事件探测技术领域，具体而言，属于一种监测雷电发生前电场信号、雷电地闪空间位置和放电参数、以及闪电光学图像信息的一体化装置系统。

背景技术

雷电灾害能够造成电力系统设备、通信设备、民用电器的损坏，也是引起森林火灾、仓储及石油设施等起火事故的重要原因，特别在电力行业，雷击是导致输电线路跳闸故障的首要原因。目前全国范围内已建成技术水平较先进的广域雷电监测网，能够为各级电网开展雷击监测、风险评估及事故分析提供技术支撑，同时部分区域建设有雷击风险预警系统和部署了雷击光学观测装置，电网输电线路初步形成了“雷击前期风险预警——中期快速定位——后期差异化防雷评估和治理”的全过程雷电灾害防御体系。但目前各系统独立运行过程中，逐渐体现出以下问题：一是各系统选址建设、后期运维工作量大，成本较高，以及通信资源紧缺，二是各系统相对独立，所获得探测数据利用效率不高，数据信息融合度不够，三是闪电光学图像装置拍摄效率及时间精度不够高，不能较好支撑雷电监测系统对事故后的原因分析，及查找防雷设计薄弱点的工作。

实用新型内容

本实用新型目的，在于提供一种可同时实现雷电辐射场电磁波测量，大气电场值测量与闪电发展路径图像记录，为雷电短临预警、地闪雷电定位以及雷击故障判别提供全方位信息。多种信号测量功能一体化设计的集成雷电探测、雷电预警以及闪电光学图像记录功能于一体的多功能装置，为工程应用节约站点建设成本，便于后期运维，且装置采用模块化设计，可根据应用需求选配功能组件，自由组合雷电探测、雷电预警、闪电光学记录功能模块。

为实现上述目的，本实用新型所采用的技术解决方案是：

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，所述装置包括地闪雷电探测单元、雷电预警单元、闪电光学图像记录单元以及统一的GNSS(Global NavigationSatellite System，全球导航卫星系统)卫星授时单元、电源与通信单元。

所述地闪雷电探测单元包括电磁场天线、模拟信号处理电路、 A/D转换电路、地闪雷电数字识别模块以及主控模块，其中电磁场天线用于接收闪电辐射的低频电磁场信号，信号由模拟信号电路进行多级滤波与放大预处理，经过预处理后的电磁场信号由A\D转换电路进行数字化，数字化信号进入地闪雷电数字识别模块进行地闪雷电实时判别，判别依据由地闪雷电信号特征决定由识别模块进行数字化判别，识别为地闪雷电信号后经过高速总线将识别过程提取的波形特征值和原始波形发送至主控模块，主控模块将波形特征值和原始波形按一定数据格式封装成雷电数据帧，雷电数据帧实时存储至本地存储器，同时经过主控模块中网络接口连接站端通信模块，通信模块将雷电数据包实时发送至远端中心站，完成雷电探测数据采集传送。

所述雷电预警单元包括大气电场感应天线、MEMS (Micro-Electro-MechanicalSystem，微机电系统)电场测量模块以及预警控制模块，所述大气电场感应天线信号输出端连接至MEMS电场测量模块，经过信号处理与数字化测量，预警控制模块每秒一次输出大气电场数值至预警控制模块，预警控制模块将电场数值、实时日期与时间信息，温度信息按规定数据规格封装成雷电预警数据帧，并经过预警控制模块中的网络接口发送给站端通信模块，通信模块将雷电预警数据帧实时发送至远端中心站，完成雷电预警原始数据采集传送。

所述闪电光学图像记录单元包括光学传感器模块、图像信号处理模块、雷电AI识别模块以及图像控制模块，所述光学传感器间隔120°角度放置实现360°全视角拍摄，光学传感器模块与图像信号处理模块经过高速USB线连接，实时视频流数据进入图像信号处理模块进行初步图像筛选，雷电AI识别模块对筛选过的图像进行闪电图像识别，将识别为闪电的图像抽取出来标记好时间和位置信息由图像控制模块发送至站端通信模块。

所述统一的GNSS卫星授时单元由多系统GNSS天线和授时接收模块组成，通过三路RS232接口输出位置和时间信息包，同时为地闪雷电探测单元、雷电预警单元、闪电光学图像记录单元提供位置和时间信息，授时单元输出两路PPS信号，为地闪雷电探测单元、闪电光学图像记录单元提供精准的秒脉冲信号用于分频计数。

电源与通信单元中电源接口统一为+12V输出至各单元模块，通信模块为专门设计的具有RS232接口和网络接口的交换机电路板，可直接与地闪雷电探测单元、雷电预警单元、闪电光学图像记录单元的RS232串口和网口进行连接，输出接口提供千兆光纤接口口和百兆电信号网口。

采用上述技术解决方案后，本实用新型具有以下优点：

本实用新型将雷电电磁场信号探测、大气电场测量、闪电光学图像采集与识别三个功能在一个探测站点中实现，可同时为雷电定位系统、雷电预警系统、雷击故障判别系统提供原始数据，工程应用中极大地节约了站址协调和建设成本，配合数据应用系统可满足多客户的多种雷电监测需求，为监测对象提供雷电事前预警、事中定位、事后故障雷击定性提供全方位信息。

一体化装置中测量大气电场变化，电场突变提供的临近雷电预警信号可以为装置中闪电光学图像记录提供触发信号，相比以往闪电光学记录装置用光触发模式有响应延时造成拍摄数据不全，和不触发全功能运行拍摄模式造成功耗过大，用装置本身的预警信号触发图像记录在降低功耗的前提下还可保证整个雷电从先导起始过程到回击过程的全过程记录。

附图说明

图1本实用新型结构框图。

图2本实用新型中地闪雷电探测单元的原理框图。

图3本实用新型中雷电预警单元的原理框图。

图4本实用新型中闪电光学图像记录单元的原理框图。

具体实施方式

以下将结合附图将本实用新型的技术方案进行详细说明。

本实用新型提供一种集成雷电探测、雷电预警以及闪电光学图像记录功能于一体的多功能装置主要包括地闪雷电探测单元、雷电预警单元、闪电光学图像记录单元、GNSS卫星授时单元、电源以及通信单元。

参见附图1，本实用新型装置系统结构框图所示，地闪雷电探测单元、雷电预警单元、闪电光学图像记录单元为本装置的三个核心功能单元。其中地闪雷电探测单元通过实时采集与识别闪电辐射的低频电磁场信号，提供地闪信号波形特征给中心站系统用于定位计算，实现地闪雷电信号探测。雷电预警单元通过测量大气电场值传送给中心站系统用于区域预警，同时，装置内通过大气电场幅值变化作为预警信号触发闪电光学图像记录单元进入工作状态。闪电光学图像记录单元根据预警触发信号开始休眠唤醒进而工作状态，通过采集视频数据，抽取关注的图像数据进行雷电AI识别，识别出闪电图像传送至中心站系统用于雷击故障判定。下面分别将本实用新型装置的地闪雷电探测单元、雷电预警单元、闪电光学图像记录单元三个核心功能单元和 GNSS天线和卫星授时单元、电源与通信单元两个辅助单元的具体实现方式做详细介绍。

参见附图2，本实用新型中地闪雷电探测单元的原理框图所示，所述地闪雷电探测单元包括雷电辐射场电磁场天线、模拟信号处理电路、多路A/D转换电路、地闪雷电FPGA识别模块、DSP主控模块、逻辑时序控制电路CPLD、数据存储模块、温度\电流\电压监控电路、20M温补晶振、D/A自检电路、2路RS232接口、PYH网络接口；

其中，所述雷电辐射电磁场天线由东西方向、南北方向、水平方向3路磁场天线用于接收磁场信号，1路平板电场天线用于接收电场信号，信号频段范围为30-350kHz组成，天线输出信号通过排线连接至模拟信号处理电路；

所述模拟信号处理电路采用并行四路信号处理方式，处理过程分为放大、滤波、积分放大、带通滤波多级处理，预处理后信号接入多路A/D转换电路；所述多路A/D转换电路采用四通道A/D转换芯片 AD9253，14位数据位宽，转换速率设置为105MSPS，进入A/D转换芯片前对四路模拟信号进行了单端信号转差分信号处理，转换后形成四路数字信号通过SPI接口进入地闪雷电FPGA识别模块；

所述地闪雷电FPGA识别模块中雷电识别判据基于高性能FPGA 实现，FPGA对四路电磁场信号进行数字滤波，三路磁场合成，电场和磁场并行识别处理，剔除非雷电信号，识别为地闪雷电信号将实时计算出信号中各类峰值、上升时间等波形特征值存入缓存buffer，同步将峰值时刻的时间计数也存入缓存作为雷电发生时间小数部分，完整的雷电原始波形数据保存至后续缓存，雷电特征值与雷电原始波形封装成雷电数据包后通过RapidIO高速串行总线进入DSP控制模块进行下一步数据处理，并发送雷电doorbell信号告知DSP控制模块当前有雷电数据包需处理，RapidIO高速总线工作速率设置为 1.25GHz，可满足实时雷电数据包内部传输需求。

所述DSP控制模块采用TI 6000系列双核CPU为核心控制器实现地闪雷电探测单元的所有工作任务控制与调度，最核心任务是实时雷电数据包处理，处理过程为响应FPGA识别模块发送的雷电 doorbell信号，从RapidIO总线缓存区读取雷电数据包，从RS232接口读取GNSS卫星授时单元输出的年月日时分秒信息，联合雷电数据包中的峰值时间计数得出精准雷电时间，将设备信息、雷电时间、波形流水号、雷电波形特征值、雷电波形封装为待发送雷电特征数据包和雷电波形数据包，本地存储数据包，通过网络接口自动发送雷电特征数据包至通信模块，雷电波形数据包由于数据量较大，在需要时才被发送。

DSP控制模块与所述CPLD逻辑时序控制电路、温度\电流\电压监控电路、D/A自检电路共同完成地闪雷电探测单元的状态监测、状态数据发送、雷电接收功能定时自检、中心站命令响应等任务，DSP 控制模块采用SYS/BIOS实时操作系统完成任务优先级设置与调度，优先保证雷电数据包处理、存储、发送任务的实时响应。

上述地闪雷电的精准雷电时间由GNSS卫星授时单元输出的年月日时分秒信息、精度20ns的PPS秒脉冲和地闪雷电探测单元中20M 温补晶振共同提供，设置为上升沿有效的PPS秒脉冲，以上升沿作为每秒起始，计数从0开始，温补晶振输出20M方波作为计数频率，当有地闪雷电被识别时FPGA识别模块将计数值作为小数秒保存，时间分辨率为50ns，卫星时间的每秒高精准度和温补晶振的短时高稳频率输出决定了标定雷电时间的精准性。精准的雷电信号时间标定对于减少雷电定位系统定位误差最为重要。

参见附图3本实用新型中雷电预警单元的原理框图所示，雷电预警单元由大气电场感应天线、MEMS电场测量模块、预警控制模块组成；

所述大气电场感应天线为可感应静电场变化的金属平板，电场变化电荷聚集产生的微弱感应电流，经屏蔽的金属导线传送至MEMS 电场测量模块；

所述MEMS电场测量模块采用基于MEMS的电场敏感微芯片结合外围信号处理电路和微控制器完成大气电场幅值测量，MEMS电场测量方式与传统机械性场磨式测量性比，不易磨损，灵敏度高，电场测量分辨率为15V/m，测量范围为-50kV/m～+50kV/m，每秒输出一次电场测量值至预警控制模块；

所述预警控制模块有两个RS232接口，其中一个接收电场测量值，另一个接收GNSS卫星授时单元输出的年月日时分秒信息，由于大气电场变化缓慢，预警控制模块将电场值和时间信息封装成雷电预警数据包每秒一次通过网络接口发送至装置通信模块，同时根据设置的预警阀值发出预警触发秒冲信号传送给闪电光学图像记录单元，作为其休眠唤醒信号；由于大气电场的基准值受海拔、环境、温度等因素影响，为了得到准确预警阀值，在设备安装时要进行现场大气电场标定，标定得出的斜率与截距参数通过预警控制模块网络配置界面写入，用于电场计算公式换算系数。

参见附图4，本实用新型中闪电光学图像记录单元的原理框图所示，闪电光学图像记录单元由光学传感器模块、图像信号处理模块、雷电AI识别模块、图像控制模块组成；

所述光学传感器模块由三个工业相机及其信号采集电路组成，三个光学传感器模块间隔120°角度放置，可实现水平视场角360°，垂直视场100°，光学传感器像素130W，帧率大于120帧/秒，输出视频流数据至图像信号处理模块；

所述图像信号处理模块采用亮度变化算法逐帧分析视频流数据，根据设定变化参数，挑选出值得关注的图像数据发送至雷电AI识别模块；所述雷电AI识别模块通过深度学习算法经过预置闪电识别模型进行推理识别，将识别为雷电图像的前后时间关联的30帧图像帧截取出来发送至图像控制模块；

所述图像控制模块，将识别为闪电的图像标记上时间信息、位置信息、设备信息后存储至本地存储器中，同时自动发送至装置通信模块；图像控制模块负责闪电光学图像记录单元的控制与任务调度，受预警触发信号休眠唤醒，闪电记录、识别、发送任务完成后自动进入休眠模式，以降低功能单元功耗；图像控制模块还响应中心站的闪电识别模型升级和相机参数更改命令，定时发送心跳数据包至远端中心站；图像控制模块接收秒脉冲信号，为了图像数据时间标定基准，以模块内部时钟为计数器，图像数据标定时间精度为ms；所述图像信号处理模块、雷电AI识别模块、图像控制模块均在NVIDIA Jetson TX2硬件板上实现。

所述GNSS天线和卫星授时单元，由高精度多系统多频段授时模块和串口扩展电路组成，其中高精度多系统多频段授时模块支持 BDS B1/B2、GPS L1/L2、GLONASS G1/G2三个卫星系统的多个频点，授时精度20ns，串口扩展电路为三个分别为地闪雷电探测单元、雷电预警单元、闪电光学图像记录单元提供位置和时间信息，扩展两路PPS输出作为地闪雷电探测单元、闪电光学图像记录单元秒时间基准，扩展接口均采用高速驱动电路增加数据驱动能力，保证信号质量。

所述电源与通信单元，为各单元提供统一供电与通信连接，其中电源模块提供4路+12V直流电源至各功能模块单元，设计最大输出电流为5A，实测装置全功能运行时峰值功耗30w，电源输出满足各模块功耗需求；所述通信模块为多通道多类接口交换机和通信接口扩展板组成，可支持4路RS232接口输入直接转换为网络输出，支持4 路网络接口输入输出，2路光纤接口输入输出，可满足各种应用场景的通信接入要求。

以上对本实用新型的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进行了阐述，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，任何未背离本实用新型原理或技术思想下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应视为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

本说明书中未做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 (5)

1.一种集成雷电预警探测与闪电光学图像记录的一体化装置，其特征在于：包括地闪雷电探测单元、雷电预警单元、闪电光学图像记录单元、以及统一的GNSS卫星授时单元、电源以及通信单元；所述地闪雷电探测单元、雷电预警单元和闪电光学图像记录单元分别与统一的GNSS卫星授时单元以及通信单元形成通信连接，所述电源为整个装置提供电源。

2.如权利要求1所述的集成雷电预警探测与闪电光学图像记录的一体化装置，其特征在于：所述地闪雷电探测单元包括电磁场天线、模拟信号处理电路、A/D转换电路模块、地闪雷电数字识别模块以及主控模块，所述电磁场天线由接收磁场信号的东西方向环形天线、南北方向环形天线、以及接收电场信号的天线组成，所述电磁场天线输出端连接模拟信号处理电路输入端，将接收的闪电辐射低频电磁场信号送入模拟信号处理电路进行多级滤波与放大预处理，将预处理后的信号送入A\D转换电路进行数字化，进一步送入地闪雷电数字识别模块进行地闪雷电信号波形特征提取和实时判别，将识别为地闪雷电信号的波形特征值和原始波形发送至主控模块，所述主控模块将波形特征值和原始波形按一定数据格式封装并实时存储至本地存储器，并经过通信模块将雷电数据包实时发送至远端中心站。

3.如权利要求1所述的集成雷电预警探测与闪电光学图像记录的一体化装置，其特征在于：所述雷电预警单元包括大气电场感应天线、MEMS电场测量模块、预警控制模块以及通信模块，所述大气电场感应天线信号输出感应电场信号接入MEMS电场测量模块，经过信号滤波放大处理与数字化测量，以每秒一次的频率将测量得到的大气电场数值输入预警控制模块，所述预警控制模块将电场数值、实时日期与时间信息，温度信息封装成雷电预警数据帧，并经过网络接口输送至站端通信模块，所述通信模块将雷电预警数据帧实时发送至远端中心站。

4.如权利要求1所述的集成雷电预警探测与闪电光学图像记录的一体化装置，其特征在于：所述闪电光学图像记录单元，包括三个光学传感器、信号处理模块、雷电AI识别模块以及图像控制模块，三个光学传感器间隔120°角度放置，实现360°全视角拍摄，所述光学传感器输出图像信号接入信号处理模块，进行去噪声和特征提取处理，将处理过的图像信号输入雷电AI识别模块进行闪电图像识别判断，对识别为闪电的图像进行提取，并标记时间和位置信息，由图像控制模块发送至站端通信模块，并经由通信模块实时发送至远端中心站。

5.如权利要求1所述的集成雷电预警探测与闪电光学图像记录的一体化装置，其特征在于：所述统一的GNSS卫星授时单元包括多系统GNSS天线和授时接收模块，用于接收卫星定位及授时信息，并通过三路RS232接口输出位置和时间信息包，同时为地闪雷电探测单元、雷电预警单元、闪电光学图像记录单元提供位置和时间信息。

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