一種數(shù)字化閃電電場(chǎng)變化信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)及其測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及氣象監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別設(shè)及一種數(shù)字化閃電電場(chǎng)變化信號(hào)測(cè)量系統(tǒng) 及其測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 閃電是我國最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，具有大電流、強(qiáng)電磁福射等特性，一旦被擊 中，極易引發(fā)建筑物、設(shè)備等地面物體火災(zāi)，威脅著人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。閃電的產(chǎn)生有一 定的規(guī)律，其發(fā)展前期往往伴隨大量的積雨云。氣象上采用氣象雷達(dá)和氣象衛(wèi)星往往可W 預(yù)測(cè)和監(jiān)測(cè)一個(gè)區(qū)域的閃電活動(dòng)情況。然而該種監(jiān)測(cè)屬于廣域監(jiān)測(cè)，不能精確定位，實(shí)際意 義并不大。目前高精度的閃電測(cè)量和定位系統(tǒng)一般都采用抓取閃電產(chǎn)生過程的電磁波為手 段，來精確測(cè)量和定位閃電，該對(duì)研究閃電物理本質(zhì)和雷擊防護(hù)具有重要的意義。
[000引 目前，國內(nèi)外用來測(cè)量閃電電場(chǎng)變化的設(shè)備包括兩種：閃電電場(chǎng)快變化探測(cè)儀 (常常稱為快天線）和閃電電場(chǎng)慢變化探測(cè)儀（常常稱為慢天線）。兩者分別用來觀測(cè)閃電 過程中的不同尺度的放電事件。通常情況下，閃電電場(chǎng)快變化探測(cè)儀用來觀測(cè)閃電過程的 快放電過程，比如預(yù)擊穿過程、回?fù)暨^程、先導(dǎo)過程、K過程等，而電場(chǎng)慢變化信號(hào)探測(cè)儀主 要用來觀測(cè)閃電過程中的慢放電過程，如連續(xù)電流（持續(xù)時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)幾百毫秒）等。其探 測(cè)原理如下；外界電場(chǎng)的變化會(huì)通過天線轉(zhuǎn)換成為變化的電流，變化的電流通過積分電路， 經(jīng)積分調(diào)理之后輸出與電場(chǎng)變化成線性關(guān)系的電壓。閃電電場(chǎng)快變化探測(cè)儀和閃電電場(chǎng)慢 變化探測(cè)儀的區(qū)別在于積分時(shí)間常數(shù)的不同，一般閃電電場(chǎng)快變化探測(cè)儀的時(shí)間常數(shù)為毫 秒量級(jí)，閃電電場(chǎng)慢變化探測(cè)儀的時(shí)間常數(shù)為秒量級(jí)。
[0004] 雖然上述探測(cè)方法和手段已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，但是在實(shí)際觀測(cè)試驗(yàn)中，特別是在近 距離閃電觀測(cè)時(shí)，比如人工觸發(fā)閃電的觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的電場(chǎng)變化探測(cè)裝置，尤其是閃電電 場(chǎng)慢變化探測(cè)裝置，能夠測(cè)量的電場(chǎng)強(qiáng)度范圍不夠大，對(duì)于較強(qiáng)的近距離閃電經(jīng)常出現(xiàn)響 應(yīng)飽和的問題。為了解決該個(gè)問題，科研人員也采取了一些相應(yīng)的措施，主要手段為調(diào)節(jié)積 分電路中R(電阻）和C(電容）的量值入手，但是由于當(dāng)前的器件技術(shù)水平的局限，一些相 應(yīng)措施也很難達(dá)到近距離閃電回?fù)魪?qiáng)度的要求。申請(qǐng)?zhí)枮?01220206637. 2的專利公開了 一種通過閃電變化快探測(cè)裝置還原閃電慢變化信號(hào)的裝置。但是該裝置仍然采用模擬積分 電路處理，也需要調(diào)節(jié)電路中R和C的值進(jìn)行匹配，該樣集成程度不高，且并沒有從根本上 解決閃電電場(chǎng)快慢電場(chǎng)天線統(tǒng)一的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足之處，提供一種數(shù)字 化閃電電場(chǎng)變化信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)及其測(cè)量方法，低成本高功效的實(shí)現(xiàn)閃電電場(chǎng)快、慢變化的 測(cè)量。
[0006] 本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0007] 一種數(shù)字化閃電電場(chǎng)變化信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)，至少包括平板天線、電場(chǎng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、 數(shù)字信號(hào)處理模塊，所述電場(chǎng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸入端與平板天線連接，電場(chǎng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 的輸出端與數(shù)字信號(hào)處理模塊連接；
[000引所述平板天線用于探測(cè)（感應(yīng)）閃電產(chǎn)生的電場(chǎng)變化信號(hào)并傳輸至電場(chǎng)模數(shù)轉(zhuǎn)換 模塊；
[0009] 所述電場(chǎng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊用于處理和轉(zhuǎn)換電場(chǎng)變化信號(hào)，得到數(shù)字化的閃電電場(chǎng)變 化信號(hào)，并將數(shù)字化的閃電電場(chǎng)變化信號(hào)傳輸至數(shù)字信號(hào)處理模塊；
[0010] 所述數(shù)字信號(hào)處理模塊用于觸發(fā)采集并處理所述數(shù)字化的閃電電場(chǎng)變化信號(hào)W 得到閃電電場(chǎng)快變化信號(hào)、閃電電場(chǎng)慢變化信號(hào)和閃電電場(chǎng)原始信號(hào)，并將上述信號(hào)進(jìn)行 存儲(chǔ)，組合成為數(shù)據(jù)帖和外界進(jìn)行通信。
[0011] 按上述方案，所述電場(chǎng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，包括依次相連的線性放大 器、電壓跟隨器、差分巧片W及AD模數(shù)轉(zhuǎn)換巧片，其中，線性放大器的輸入端與平板天線連 接、用于將輸入信號(hào)進(jìn)行線性放大，電壓跟隨器用于進(jìn)行電壓跟隨，差分巧片用于對(duì)信號(hào)差 分并送入AD模數(shù)轉(zhuǎn)換巧片，AD模數(shù)轉(zhuǎn)換巧片用于將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)并送入數(shù) 字信號(hào)處理模塊。
[0012] 按上述方案，所述數(shù)字信號(hào)處理模塊包括信號(hào)采入模塊、Fifio緩存模塊、枯直流 模塊、累加積分模塊、電場(chǎng)特性判據(jù)模塊、浮點(diǎn)轉(zhuǎn)換模塊、快積分模塊、慢積分模塊W及時(shí)鐘 對(duì)準(zhǔn)模塊，其中，信號(hào)采入模塊用于按照電場(chǎng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊中的AD模數(shù)轉(zhuǎn)換巧片的采樣速 率采集AD模數(shù)轉(zhuǎn)換巧片送入的數(shù)字信號(hào)，F(xiàn)i化緩存模塊用于緩存送入的數(shù)字信號(hào)、確定枯 直流的精準(zhǔn)度，枯直流模塊用于枯除信號(hào)的直流，浮點(diǎn)轉(zhuǎn)換模塊用于將輸入的定點(diǎn)信號(hào)轉(zhuǎn) 換為64位的雙精度浮點(diǎn)數(shù)；所述累加積分模塊、快積分模塊和慢積分模塊為不同積分常數(shù) 的數(shù)字積分器，分別用于獲取閃電電場(chǎng)原始信號(hào)、閃電電場(chǎng)快變化信號(hào)、閃電電場(chǎng)慢變化信 號(hào)，其中，累加積分模塊的積分常數(shù)最大、慢積分模塊的積分常數(shù)其次、快積分模塊的積分 常數(shù)最最?。浑妶?chǎng)特性判據(jù)模塊用于對(duì)比閃電電場(chǎng)原始信號(hào)，閃電電場(chǎng)快變化信號(hào)和閃電 電場(chǎng)慢變化信號(hào)，判定當(dāng)前采入的電場(chǎng)變化信號(hào)是否滿足閃電的電場(chǎng)變化信號(hào)特征，如果 滿足，則通過時(shí)間對(duì)準(zhǔn)模塊進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)。
[0013] 按上述方案，系統(tǒng)還包括存儲(chǔ)模塊，所述數(shù)字信號(hào)處理模塊還包括存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)模塊， 所述存儲(chǔ)模塊與數(shù)字信號(hào)處理模塊的存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)模塊連接，用于存儲(chǔ)包括閃電電場(chǎng)快變化 信號(hào)、閃電電場(chǎng)慢變化信號(hào)、閃電電場(chǎng)原始信號(hào)（通過存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)模塊將數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)模塊 中），并對(duì)上述信號(hào)通信做緩存（在傳輸該些信號(hào)時(shí)的緩存）。
[0014] 按上述方案，系統(tǒng)還包括通信傳輸接口，所述數(shù)字信號(hào)處理模塊還包括通信驅(qū)動(dòng) 模塊，所述通信傳輸接口與數(shù)字信號(hào)處理模塊連接，用于物理上將抓取的閃電電場(chǎng)快變化 信號(hào)、閃電電場(chǎng)慢變化信號(hào)和閃電電場(chǎng)原始信號(hào)和上位機(jī)或者網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信（將數(shù)據(jù)通過 通信驅(qū)動(dòng)模塊傳出）。
[0015] 按上述方案，系統(tǒng)還包括GI^S模塊，GI^S模塊由一個(gè)GPS巧片和對(duì)應(yīng)天線組成，用 于接收衛(wèi)星時(shí)鐘信號(hào)并將時(shí)鐘信號(hào)傳輸給數(shù)字信號(hào)處理模塊，給處理的閃電電場(chǎng)變化信號(hào) 做時(shí)鐘標(biāo)定。
[0016] 按上述方案，所述平板天線為中空形狀的圓形平板天線，所述電場(chǎng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、 數(shù)字信號(hào)處理模塊均處于專用處理平臺(tái)上，所述專用處理平臺(tái)位于戶外屏蔽室內(nèi)。
[0017] 按上述方案，還包括絕緣子套管及底座支撐架，所述絕緣子套管連接所述平板天 線，所述底座支撐架用于支撐絕緣子套管和平板天線。
[0018] 本發(fā)明還提供了一種基于上述數(shù)字化閃電電場(chǎng)變化信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法，包 括：
[0019] 步驟S1，通過平板天線感應(yīng)閃電產(chǎn)生的電場(chǎng)變化信號(hào)，電場(chǎng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對(duì)感應(yīng) 到的電場(chǎng)變化信號(hào)進(jìn)行調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字化的閃電電場(chǎng)變化信號(hào)；
[0020] 步驟S2,數(shù)字信號(hào)處理模塊對(duì)電場(chǎng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊傳入的數(shù)字化的閃電電場(chǎng)變化 信號(hào)進(jìn)行積分，包括；對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存和格式轉(zhuǎn)換，對(duì)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行不同積分常 數(shù)的數(shù)字積分，得到閃電電場(chǎng)原始信號(hào)、閃電電場(chǎng)快變化信號(hào)、閃電電場(chǎng)慢變化信號(hào)，并對(duì) 閃電電場(chǎng)原始信號(hào)、閃電電場(chǎng)快變化信號(hào)、閃電電場(chǎng)慢變化信號(hào)進(jìn)行判斷，如果具有閃電特 征，則通過存儲(chǔ)模塊進(jìn)行存儲(chǔ)或者通過通信傳輸接口與外界通信。
[0021] 按上述方案，測(cè)量方法具體流程如下；系統(tǒng)開始工作后，即持續(xù)采集AD模數(shù)轉(zhuǎn)換 巧片送入的信號(hào)，按照時(shí)鐘模塊，將AD模數(shù)轉(zhuǎn)換巧片送入的信號(hào)通過浮點(diǎn)轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行浮 點(diǎn)轉(zhuǎn)換，然后分成=條數(shù)據(jù)鏈通路，分別進(jìn)入快積分模塊、慢積分模塊和通過枯直流模塊后 進(jìn)入累加積分模塊，進(jìn)行積分常數(shù)不同的積分，通過枯直流模塊和累加積分模塊對(duì)天線感 應(yīng)的閃電電場(chǎng)變化信號(hào)進(jìn)行枯噪枯直流累加，得到閃電電場(chǎng)原始信號(hào)，通過快積分模塊、慢 積分模塊對(duì)天線感應(yīng)的閃電電場(chǎng)變化信號(hào)進(jìn)行積分，分別還原出閃電電場(chǎng)快變化信號(hào)和閃 電電場(chǎng)慢變化信號(hào)，并通過電場(chǎng)特性判據(jù)模塊對(duì)閃電電場(chǎng)原始信號(hào)、閃電電場(chǎng)快變化信號(hào)、 閃電電場(chǎng)慢變化信號(hào)（積分結(jié)果）進(jìn)行判斷分析，如果符合閃電特征，則數(shù)據(jù)為有效數(shù)據(jù)， 通過時(shí)鐘對(duì)準(zhǔn)模塊對(duì)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間標(biāo)定，通過存儲(chǔ)驅(qū)動(dòng)模塊將經(jīng)過時(shí)間標(biāo)定后的有效 數(shù)據(jù)輸出至存儲(chǔ)模塊中或通過通信驅(qū)動(dòng)模塊將經(jīng)過時(shí)鐘標(biāo)定后的有效數(shù)據(jù)輸出至通信傳 輸接口，將數(shù)據(jù)傳出。
[0022] 本發(fā)明的工作原理；電場(chǎng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊將輸入信號(hào)進(jìn)行初步處理和轉(zhuǎn)換并直接送 入數(shù)字信號(hào)處理模塊；數(shù)字信號(hào)處理模塊接收電場(chǎng)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊傳入的數(shù)字化的閃電電 場(chǎng)變化信號(hào)，通過不同積分常數(shù)的積分器設(shè)計(jì)，通過不同的快慢積分常數(shù)的積分器對(duì)天線 感應(yīng)的閃電電場(chǎng)變化信號(hào)進(jìn)行積分，分別還原出閃電電場(chǎng)快變化信號(hào)和閃電電場(chǎng)慢變化信 號(hào)，通過對(duì)天線感應(yīng)的閃電電場(chǎng)變化信號(hào)的枯噪枯直流累加，得到閃電電場(chǎng)原始信號(hào)