专利名称：一种雷击放电综合同步观测方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及雷电物理与雷电防护技术研究領域，尤其是一种雷击放电综合同步观测方法及系统。
背景技术：
对雷击放电综合观测是认识雷击放电发展过程的重要手段，由于自然雷电发生的随机性和瞬时性，要求用于雷击放电的观测设备具有较高的时空分辨率，随着电子技术和计算机技术的飞速发展，单个观测设备的性能得到较大发展，此时各个设备之间如何同步就成为亟待解决的关键问题。申请人通过试验和研究发现，只有实现同步观测才能准确获得每ー时刻下的雷电的物理形态、电学、光学和声学的具体的特征量，以达到准确获取雷击放电特征參数的目的。为了实现对已測量得到的电学、光学等物理特征量的同步分析，通常的做法是借助物理机理进行推断，如假定高速摄像照片全亮的那ー帧照片对应时刻为回击通道形成时亥|J，然后根据电学特征量“回击起始时刻”的变化特征，推断电学、光学特征參量之间的相互对应的时间关系。申请人认为，该方法存在一定的误差，难以达到雷电放电测量的微秒量级精度。据申请人所知，雷击放电的随机性会导致常规雷击放电观测的效率低下，为了保证对随机雷电的捕获，业内常用的办法是使观测设备长期处于带电工作状态，这样做的结果会导致安全隐患产生，同时还会造成不良的后果，即观测设备长期处于带电工作状态将会大大缩短观测设备的使用寿命。

发明内容
本发明的目的是，针对上述现有技术存在的不足，进行改进，提出并研究一种雷击放电综合同步观测方法及系统，以实现对雷击放电过程的高效率同步观測。本发明的技术解决方案是一种雷击放电综合同步观测方法，基于GPS授时技术，采用观测系统进行观测，其特征在于，观测系统采用雷击放电综合同步观测系统，其观测步骤如下I)雷击放电综合同步观测系统使用广域雷电定位系统提供雷暴活动趋势，使用大气平均电场仪提供雷暴来临提醒；2)雷击放电综合同步观测系统采用GPS授时装置输出交流B码信号给高速摄像装置的时钟输入接ロ，在高速摄像装置内部的时钟系统标示每帧照片的形成时间，GPS授时装置同时接收来自闪电高速触发装置的TTL电平信号，并输出TTL电平上升沿对应的准确时间t到PC机(或上位机或中心服务器)，由其应用软件进行记录，高速数据存储记录装置记录TTL电平信号和电学、声学測量信号，根据TTL电平信号上升沿对应的时间t和采样数据点之间的时间间隔At，计算电学、声学測量信号的第η个点的准确时间为t+n· At，通过比对波形数据点准确时间和光学拍摄照片形成的准确时刻，实现雷击放电综合观测系统各观测量 的同歩。其特征在于，使用广域雷电定位系统提供雷暴活动趋势，每当广域雷电定位系统提示雷暴活动来临，同时大气平均电场仪探測地面附近电场高于设定值时，由数据分析处理服务器判断是否满足预设条件，当满足预设条件，即自动启动系统电源，使所有设备通电并进入预触发状态，闪电高速触发装置接收到闪电发出的强光后，输出TTL电平信号，触发所有观测记录设备并自动存储所有数据，通过判断大气平均电场仪的测量值是否大于设定的停止工作阈值，若大于设定的停止工作阈值，设备自动恢复预触发状态，等待下一次闪电触发，若小于设定的停止工作阈值，所有设备停止工作，并断开系统电源。上述的雷击放电综合同步观测系统，包括广域雷电定位系统、数据分析处理服务器、大气平均电场仪、高速摄像装置、闪电高速触发装置、快电场变化仪、慢电场变化仪、磁场测量仪、阵列式雷声探測装置、高速数据存储记录仪、GPS授时装置，其特征在于，所述的数据分析处理服务器通过以太网网线与广域雷电定位系统、大气平均电场仪、高速摄像装置相连接，所述的闪电高速触发装置与高速摄像装置、高速数据存储记录仪、GPS授时装置相连接，在接收雷击放电发出的强光后输出TTL电平信号给所连接设备；所述的高速数据存储记录仪与闪电高速触发装置、快电场变化仪、慢电场变化仪、磁场测量仪、阵列式雷声探測装置相连接，在接收到TTL电平信号后触发并记录触发信号、快电场波形、慢电场波形、磁场波形、雷声波形。其特征在于，所述广域雷电定位系统包括雷电电磁波探测站、服务器及其应用软件，用于提供雷暴活动趋势图。其特征在于，所述大气平均电场仪包括大气感应器、信号处理电路、显示系统，用于提供雷暴来临提醒，输出预警信号以控制系统电源。其特征在于，所述快电场变化仪包括金属平板、积分电路、处理电路，用于探测雷击时快电场变化波形；所述慢电场变化仪包括金属平板、积分电路、处理电路，用于探测雷击时慢电场变化波形。其特征在于，所述磁场测量仪包括正交矩形天线、信号处理电路，用于探测东西方向、南北方向磁场波形。其特征在于，所述阵列式雷声探測装置包括麦克风阵列、信号处理电路，用于将探测到的雷声信号转化为方便测量的电压信号。其特征在于，所述高速数据存储记录仪包括高速数据采集卡、エ控机，用于记录所有电学信号。其特征在于，所述GPS授时装置包括GPS接收模块、高精度时钟模块、IRIG-B时钟信号模块、外部触发信号时间打码模块及I/o接ロ，GPS接收模块与GPS接收天线配接，GPS接收模块与高精度时钟信模块配连，高精度时钟信模块与IRIG-B时钟信号模块和外部触发信号时间打标模块配接，IRIG-B时钟信号模块和外部触发信号时间打标模块分别与I/O接ロ相连。本发明具有的以下优点和积极效果I)本发明利用广域雷电定位系统雷暴活动趋势，大气电场仪雷暴来临短时预警，自动启动观测系统，減少观测设备持续带电时间，提高观测设备使用寿命。2)本发明所述采用基于GPS授时技术的同步方案，可实现每ー帧高速摄像照片与电学、声学观测量数据之间高精度同步，有利于进一步深入开展雷击放电物理过程研究。3)本发明所述观测系统采用GPS授时装置授时，观测数据与广域雷电定位系统监测结果实现综合同步，实现观测结果的相互验证及辅助分析的目的。


图I本发明的雷击放电综合同步观测系统结构框2本发明的雷击放电综合同步观测系统工作原理框3本发明的雷击放电综合同步观测系统采用的GPS授时装置原理框图
具体实施例方式下面，以具体实施例结合附图对本发明作进一步说明如图I、图2所示，本发明提出的一种雷击放电综合同步观测方法，采用雷击放电综合同步观测系统，实现对雷击放电过程的高效率同步观测。其观测步骤如下I)雷击放电综合同步观测系统使用广域雷电定位系统I提供雷暴活动趋势，使用大气平均电场仪3提供雷暴来临提醒；2)雷击放电综合同步观测系统采用GPS授时装置11输出交流B码信号给高速摄像装置4的时钟输入接口，在高速摄像装置4内部的时钟系统标示每帧照片的形成时间，GPS授时装置11同时接收来自闪电高速触发装置5的TTL电平信号，并输出TTL电平上升沿对应的准确时间t到PC机(或上位机或中心服务器)，由其应用软件进行记录，高速数据存储记录装置采用高速数据存储记录仪10记录TTL电平信号和电学、声学测量信号，根据TTL电平信号上升沿对应的时间t和采样数据点之间的时间间隔At，计算电学、声学测量信号的第η个点的准确时间为t+n · At，通过比对波形数据点准确时间和光学拍摄照片形成的准确时刻，实现获取观测雷击放电的各观测量。本发明的方法在实施运用中的基本步骤是，当广域雷电定位系统I提示雷暴活动来临，同时大气平均电场仪3探测地面附近电场高于设定值时，由数据分析处理服务器2判断满足预设条件，自动启动系统电源，所有观测设备通电并进入预触发状态，闪电高速触发装置5接收到闪电发出的强光，输出TTL电平信号，触发所有观测记录设备并自动存储所有数据，通过判断大气平均电场仪3测量值是否大于设定停止工作阈值，若大于设定停止工作阈值，设备自动恢复预触发状态，等待下一次闪电触发，若小于设定停止工作阈值，所有观测设备停止工作，并断开电源。通过上述步骤实现对雷击放电过程的自动观测，同时减少观测设备带电工作时间，延长其使用寿命。在进行同步观测时，当闪电高速触发装置5接收到闪电发出的强光，即时输出TTL电平信号。TTL电平信号用于触发高速数据存储记录仪10。由触发高速数据存储记录仪10存储并记录获取的快电场信号、慢电场信号、磁场信号、雷声信号，同时获取TTL电平信号上升沿与其他电学信号之间的相对时间关系；闪电高速触发装置5输出TTL电平至GPS授时装置11获取TTL信号上升沿对应的准确时间t，输出时间信号由PC机记录，根据TTL电平信号上升沿对应的时间t和电学波形数据点之间的时间间隔△ t，能够计算第η个数据点的准确时间为t+n · Λ t ;闪电高速触发装置5输出TTL电平信号同时用于触发高速摄像装置4拍摄存储照片，GPS授时装置11输出IRIG-B格式时间信号至高速摄像装置4，高速摄像装置4内部时钟系统标示出每帧照片形成的准确时间h，通过比对波形数据点准确时间t+n · At和光学拍摄照片形成的准确时间b，能够获得光学每帧照片形成时刻与波形数据点准确对应关系，同时可用准确时刻t查找广域雷电定位系统I测得的雷电流幅值、极性及回击次数等结果用于辅助分析；按照本发明的提出的观测方法进行雷击放观测，才能真正实现雷击放电综合观测系统高精度同歩。 上述的雷击放电综合同步观测系统，包括广域雷电定位系统I、数据分析处理服务器2、大气平均电场仪3、高速摄像装置4、闪电高速触发装置5、快电场变化仪6、慢电场变化仪7、磁场测量仪8、阵列式雷声探測装置9、高速数据存储记录仪10、GPS授时装置11及PC机。雷击放电综合同步观测系统配备了系统电源。其中，数据分析处理服务器2通过以太网网线与广域雷电定位系统I、大气平均电场仪3、高速摄像装置4相连接，闪电高速触发装置5与高速摄像装置4、高速数据存储记录仪10、GPS授时装置11相连接，在接收雷击放电发出的强光后输出TTL电平信号给所连接设备；高速数据存储记录仪10与闪电高速触发装置5、快电场变化仪6、慢电场变化仪7、磁场测量仪8、阵列式雷声探測装置9相连接，在接收到TTL电平信号后触发并记录触发信号、快电场波形、慢电场波形、磁场波形、雷声波形。广域雷电定位系统I包括雷电电磁波探测站、服务器及其应用软件，用于提供雷暴活动趋势图。大气平均电场仪3包括大气感应器、信号处理电路、显示系统，用于提供雷暴来临提醒，输出预警信号以控制系统电源。快电场变化仪6包括金属平板、积分电路、处理电路，用于探测雷击时快电场变化波形。慢电场变化仪7包括金属平板、积分电路、处理电路，用于探测雷击时慢电场变化波形。磁场测量仪8包括正交矩形天线、信号处理电路，用于探测东西方向、南北方向磁场波形。阵列式雷声探測装置9包括麦克风阵列、信号处理电路，用于将探測雷声信号转化为方便测量的电压信号。高速数据存储记录仪10包括高速数据采集卡、エ控机，用于记录所有电学信号。如图3所示，GPS授时装置11包括GPS接收模块11. 2、高精度时钟模块11. 3、IRIG-B时钟信号模块11. 4、外部触发信号时间打码模块11. 5及I/O接ロ 11. 6，用于接收GPS卫星信号并输出精确的IRIG-B格式调幅时间信号，接收TTL电平信号并输出电平信号上升沿对应时间信息。GPS接收模块11. 2与GPS接收天线11. I配接，GPS接收天线11. I接收空间电磁波形信号，由GPS接收模块11. 2解析信号输出秒级脉冲信号，GPS接收模块112与高精度时钟信模块11. 3配连，由高精度时钟模块11. 3实现输出高精度、高稳定性时钟信号，高精度时钟信模块11. 3与IRIG-B时钟信号模块11. 4和外部触发信号时间打标模块11. 5配接。IRIG-B时钟信号模块11. 4输出标准IRIG-B格式信号，并通过I/O接ロ
11.6与高速摄像装置4的时钟信号接ロ相连，外部触发信号时间打标模块11. 5与I/O接ロ相连。外部触发信号时间打标模块11. 5接收外部输入TTL电平信号，输出信号上升沿对应的打标时间信号给PC机。
权利要求
1.一种雷击放电综合同步观测方法，基于GPS授时技术，采用观测系统进行观测，其特征在于，观测系统采用雷击放电综合同步观测系统，其观测步骤如下 1)雷击放电综合同步观测系统使用广域雷电定位系统(I)提供雷暴活动趋势，使用大气平均电场仪提供雷暴来临提醒； 2)雷击放电综合同步观测系统采用GPS授时装置(11)输出交流B码信号给高速摄像装置(4)的时钟输入接口，在高速摄像装置(4)内部的时钟系统标示每帧照片的形成时间，GPS授时装置(11)同时接收来自闪电高速触发装置(5)的TTL电平信号，并输出TTL电平上升沿对应的准确时间t到PC机(或上位机或中心服务器)，由其应用软件进行记录，高速数据存储记录装置记录TTL电平信号和电学、声学测量信号，根据TTL电平信号上升沿对应的时间t和采样数据点之间的时间间隔△ t，计算电学、声学测量信号的第η个点的准确时间为t+n · At，通过比对波形数据点准确时间和光学拍摄照片形成的准确时刻，实现雷击放电综合观测系统各观测量的同步。
2.根据权利要求I所述的一种雷击放电综合同步观测方法，其特征在于，使用广域雷电定位系统(I)提供雷暴活动趋势，每当广域雷电定位系统(I)提示雷暴活动来临，同时大气平均电场仪(3)探测地面附近电场高于设定值时，由数据分析处理服务器(2)判断是否满足预设条件，当满足预设条件，即自动启动系统电源，使所有设备通电并进入预触发状态，闪电高速触发装置(5)接收到闪电发出的强光后，输出TTL电平信号，触发所有观测记录设备并自动存储所有数据，通过判断大气平均电场仪(3)的测量值是否大于设定的停止工作阈值，若大于设定的停止工作阈值，设备自动恢复预触发状态，等待下一次闪电触发，若小于设定的停止工作阈值，所有设备停止工作，并断开系统电源。
3.—种雷击放电综合同步观测系统，包括广域雷电定位系统、数据分析处理服务器、大气平均电场仪、高速摄像装置、闪电高速触发装置、快电场变化仪、慢电场变化仪、磁场测量仪、阵列式雷声探测装置、高速数据存储记录仪、GPS授时装置，其特征在于，所述的数据分析处理服务器(2)通过以太网网线与广域雷电定位系统(I)、大气平均电场仪(3)、高速摄像装置(4)相连接，所述的闪电高速触发装置(5)与高速摄像装置(4)、高速数据存储记录仪(10)、GPS授时装置(11)相连接，在接收雷击放电发出的强光后输出TTL电平信号给所连接设备；所述的高速数据存储记录仪(10)与闪电高速触发装置(5)、快电场变化仪(6)、慢电场变化仪(7)、磁场测量仪(8)、阵列式雷声探测装置(9)相连接，在接收到TTL电平信号后触发并记录触发信号、快电场波形、慢电场波形、磁场波形、雷声波形。
4.根据权利要求3所述的一种雷击放电综合同步观测系统，其特征在于，所述广域雷电定位系统(I)包括雷电电磁波探测站、服务器及其应用软件，用于提供雷暴活动趋势图。
5.根据权利要求3所述的一种雷击放电综合同步观测系统，其特征在于，所述大气平均电场仪(3)包括大气感应器、信号处理电路、显示系统，用于提供雷暴来临提醒，输出预警信号以控制系统电源。
6.根据权利要求3所述的所述广域雷电定位系统，其特征在于，所述快电场变化仪(6)包括金属平板、积分电路、处理电路，用于探测雷击时快电场变化波形；所述慢电场变化仪(7)包括金属平板、积分电路、处理电路，用于探测雷击时慢电场变化波形。
7.根据权利要求3所述的所述广域雷电定位系统，其特征在于，所述磁场测量仪(7)包括正交矩形天线、信号处理电路，用于探测东西方向、南北方向磁场波形。
8.根据权利要求3所述的所述广域雷电定位系统，其特征在于，所述阵列式雷声探测装置(9)包括麦克风阵列、信号处理电路，用于将探测到的雷声信号转化为方便测量的电压信号。
9.根据权利要求3所述的所述广域雷电定位系统，其特征在于，所述高速数据存储记录仪(10)包括高速数据采集卡、工控机，用于记录所有电学信号。
10.根据权利要求3所述的所述广域雷电定位系统，其特征在于，所述GPS授时装置(11)包括GPS接收模块(11. 2)、高精度时钟模块(11. 3)、IRIG-B时钟信号模块(11. 4)、夕卜部触发信号时间打码模块(11. 5)及I/O接口(11. 6)，GPS接收模块(11. 2)与GPS接收天线(11. I)配接，GPS接收模块(11. 2)与高精度时钟信模块(11. 3)配连，高精度时钟信模块(11. 3)与IRIG-B时钟信号模块(11. 4)和外部触发信号时间打标模块(11. 5)配接，IRIG-B时钟信号模块(11. 4)和外部触发信号时间打标模块(11. 5)分别与I/O接口(11. 6)相连。
全文摘要
本发明是一种雷击放电综合同步观测方法及系统，其方法是基于GPS授时技术，采用观测系统进行观测，观测步骤使用广域雷电定位系统提供雷暴活动趋势，使用大气平均电场仪提供雷暴来临提醒；采用GPS授时装置输出交流B码信号给高速摄像装置，时钟系统标示每帧照片的形成时间，同时接收来自闪电高速触发装置的TTL电平信号，并输出TTL电平上升沿对应的准确时间t到PC机，由高速数据存储记录装置记录TTL电平信号和电学、声学测量信号。其系统包括广域雷电定位系统、数据分析处理服务器、大气平均电场仪、高速摄像装置、闪电高速触发装置、快电场变化仪、慢电场变化仪、磁场测量仪、阵列式雷声探测装置、高速数据存储记录仪、GPS授时装置。
文档编号G01R29/12GK102621414SQ201210069688
公开日2012年8月1日 申请日期2012年3月16日 优先权日2012年3月16日
发明者严碧武, 冯万兴, 向念文, 张伟, 方玉河, 章涵, 许远根, 谷山强, 陈家宏, 陈维江 申请人:国网电力科学研究院, 国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司