专利名称：数字式雷电探测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于雷电探测领域，涉及雷电探测装置，特别是数字式雷电探测装置。它是 一种以数字信号处理为基础的，具有灵活调整能力的数字式雷电探测装置。其适用于大区域 范围的雷电探测。
背景技术：
众所周知，雷电发生时会产生强大的声、光、电信号，其中声和光信号由于其自身的特 性，作用距离短，不适用于远距离大区域雷电探测。然而，雷电活动所产生的电磁辐射场， 尤其是主能量集中的低频/甚低频段的电磁辐射场，其产生的电磁辐射波可沿地球表面传播数 百公里或更远。现有的雷电探测方法及装置通常是检测雷电活动所产生的低频/甚低频段电磁 辐射波所对应的电磁感应信号。据申请人所知，现代雷电探测技术始于二十世纪七十年代末， 由美国科学家Martin A. Uman和E. Philip Krider教授提出并实现的，随后该技术在美国、 中国、法国、德国迅速发展，研究和实验证明，准确区分雷电活动中的云闪和地闪是雷电探 测技术方法的关键。据申请人所知，目前所公开的用于区分云闪和地闪的识别判据有时间 判别法，即检测输入信号的主峰由参考零点到峰值点的时间，因为云闪电检信号具有短暂的 上升时间；双极性测试法，即与第一峰相比较，后续相反极性波峰的峰值偏大，则被判定为 云闪；另一种方法是同极性测试法，即存在与第一峰极性相同的后续峰，且后续峰峰值偏大， 则被判定为云闪。如果所输入的感应信号不满足上述判定则将被假定为地闪雷电信号。但是， 即使综合利用上述判据，仍然存在地闪雷电信号被错误的判定。
申请人在研究中发现，利用上述这些方法实现的雷电探测装置，就是利用判据组建一种 雷电信号识别数学模型，其实现方法一般是采用模拟信号处理或者模拟与数字信号混合处理 实现的，其特点是雷电信号识别模型和处理系统实现起来较为简单，基本上能够满足多站系 统同时监测雷电要求。其不足之处是1、判据复杂时实现困难，对云闪、地闪的区分率相对 低，在只接受地闪的探测系统中还可能影响探测效率；2、电路设计定型以后，雷电信号识别 模型不便于根据使用情况的改变而改变或调整，从而造成部分不满足预定判据条件的真雷电 信号丢失，由此降低了探测装置的接受效率；3、模拟电路存在固有的不稳定性，随着工作时 间的延长会造成其内部参数发生漂移；4、存在"寂静时间"，模拟器件需要利用跟踪和保持 电路来检测预选电检信号、捕获有用电检信号、并完成对电检信号特征的分析，在这一状态 中通常无法及时响应后续信号。
中国专利文献03808337. X闪电探测和数据获得系统，其描述了一种可检测雷电活动所产射波所对应的电磁感应信号的雷电探测器。它利用天线的导数特性 和非线性放大器实现云闪和地闪振幅的调整和压縮，降低了输入信号的动态范围。再利用高 速模数转换器(简称ADC),从输入端将信号进行了数字化采样编码，实现了由模拟判别向数 字判别的进步，消除了以往硬件系统存在的固有的寂静时间问题。该中国专利文献描述的雷 电信号探测器是用数字信号处理器(简称DSP)作为系统平台，利用计算机程序语言描述雷 电信号识别数学模型，并在DSP上实现雷电信号识别模型及其信号处理，具有可编程特性， 相对于以往探测方法及装置难以实现的复杂判据而言，其能够通过计算机程序语言在DSP内 实现系统平台所要求的复杂模型，但其缺陷在于1、要实现复杂模型，需要进行大量的运算 处理，有时不得不运用复杂算法，才能获得较为真实的结果，但运用复杂算法时将会占用DSP 庞大的资源，降低系统性能，影响信号响应和处理速度，存在数据丢弃风险和信号响应暂停 的可能。2、其所描述的用户可选择判据，是仅针对云闪判据或是地闪判据的选择，从而仅获 取地闪数据或者云闪数据或者是两种数据全部获取，其识别判据依然是固定的，不能够针对 实际情况对判据进行实时修正或扩充，存在局限性。3、该专利所描述的探测器具有数据压縮 和十选一技术，但其所获得的数据仅包含能够判定雷电类型特征数据，不具备全波形数据的 记录和传输能力。4、其特征数据不具备本地离线存贮功能。
中国专利97109239.7 "雷电电磁波到达时刻的探测方法"，公开了一种雷电电磁波特征 频段的时间标定法，但其具体的实现方式是采用模拟滤波器对雷电电磁波进行带通滤波，存 在一定的时间漂移。 ' 发明内容
本实用新型的目的，是针对上述现有技术存在的不足，提出数字式雷电探测装置，实现 地闪雷电信号全数字的准确实时识别，实现识别模型的灵活调整，并实现信号特征数据和全 波形数据的同步数字处理和存储。
本实用新型的技术解决方案是，包括天线、信号调理器，其特征在于由天线，信号调 理器，模数转换器，地闪雷电信号识别模型模块，系统控制管理器，辅助控制管理器，通信 接口，外部存储器及时钟组成；系统控制管理器采用的是数字信号处理器；辅助控制管理器 采用复杂可编程逻辑器件；外部存储器采用的是大容量并行高速静态存储器；天线设有接收 雷电电磁场辐射电磁波信号的输入端，天线的输出端与信号调理器的输入端相连，信号调理 器的输出端与模数转换器的输入端相连，模数转换器的输出端与地闪雷电信号识别模型模块 的数据输入端相连；模数转换器的时钟输入端与地闪雷电信号识别模型模块的时钟输出端相 连；地闪雷电信号识别模型模块的时钟输入端与时钟的输出端相连；地闪雷电信号识别模型 模块通过数据和地址总线分别与系统控制管理器和辅助控制管理器相连；系统控制管理器通 过数据和地址总线与辅助控制管理器相连，并且通过数据和地址总线与外部存储器相连；地 闪雷电信号识别模型模块、系统控制管理器、辅助控制管理器和外部存储器之间的控制输入200920084968. 1
输出端分别通过各自的控制总线相连；系统控制管理器的通信输入输出口分别与通信接口的 内侧输入输出口相连；通信接口外侧的输入输出口与外界通信网相连。
其特征在于，所述的地闪雷电信号识别模型模块采用的是现场可编程门阵列器件，简称 FPGA; FPGA采用被动配置工作模式；内部连接均采用的是并行同步总线方式连接；FPGA内部 逻辑区是由波形预处理器、地闪雷电信号识别模型、雷电信号波形先入先出缓存器,简称FIF0、 波形编码器、波形特征值寄存器阵列、时钟电路、时标信号发生器和数据接口电路组成；波 形预处理器的输入端与FPGA的数据输入端相连；波形预处理器的输出端与地闪雷电信号识别 模型的输入端相连；地闪雷电信号识别模型的输出端与波形特征值寄存器阵列的输入端相连； 波形特征值寄存器阵列的输出端与数据接口电路的输入端相连；波形编码器的输入端与FPGA 的数据输入端相连；波形编码器的输出端与FIFO的输入端相连；FIFO的输出端与数据接口 的输入端相连；数据接口的输出端通过FPGA上的地址与数据总线与外界相连；时钟的输入端 与FPGA的时钟输入端相连；时钟电路输出端分别与FPGA的时钟输出端、波形预处理器、地 闪雷电信号识别模型、波形编码器、时标信号发生器的时钟输入端相连；时标信号发生器的 输出端与波形编码器的时标信号输入端相连。
其特征在于还包括大容量非易失性存储器和系统控制管理器控制的自检系统；大容量 非易失性存储器是一种高速并行存储器；自检系统是由高速数模转换器简称DAC、自检信号 发生器、电子开关及系统控制管理器组成；系统控制管理器的自检信号输出端与DAC的输入 端相连；DAC的输入端与自检信号发生器的输入端相连；自检信号发生器的输出端与电子开 关的输入端相连；电子开关的输出端输出与天线的模拟信号输入端相连。
其特征在于所述的信号调理器是由前置放放大器、低通滤波器、积分器、高通滤波器 和差分变换器组成；前置放大器的输入端与信号调理器的信号输入端相连；前置放大器的输 出端与低通滤波器的输入端相连；低通滤波器的输出端与积分器的输入端相连；积分器的输 出端与高通滤波器的输入端相连；高通滤波器的输出端与差分变换器的输入端相连；差分变 换器的输出端入信号调理器的输出端相连；信号调理器中所采用的运算放大器均采用超低噪 声运算放大器，信号调理器输出的信号为差分信号。
其特征在于，所述的时钟由高稳定的、精度为土O. lppm的温补晶振和全球卫星定位系统 组成，并建立有时钟误差修正的控制器。
其特征在于，天线包括南北磁场天线、东西磁场天线和电场天线三种接收天线。
本实用新型的优点是，构思新颖、设计合理、性能稳定，通过DSP、 CPLD和FPGA组合运
用，实现了地闪雷电信号识别模型的完全可编程性，并具有可再配置能力，可针对要求灵活
调整地闪雷电信号识别模型，以提高雷电信号的识别能力和类型区分能力。通过预处理区的
建立，可预先了解输入信号的趋势和典型特征，为后续地闪雷电信号识别模型提供参考，可
进一步提高信号判别能力。本实用新型具有高效的运行管理和响应能力，能进行海量数据的
6实时处理和多种特征数据的计算，实现雷电信号特征信号和全波形数据的处理和记录，即使 运用复杂识别模型以及面对密集数据处理时，系统亦能有良好的表现。其具有丰富的数据接 口，可根据使用者需要进行功能扩展。还具有高速通信网络接口，可实现与外部系统的数据 通信和联网。


图1、本实用新型可实现的功能框图
图2、典型的地闪波形示意图
图3、本实用新型的原理框图
图4、本实用新型的结构示意图
图5、本实用新型的最佳实施例结构示意图
具体实施方式
下面，结合附图对本实用新型的具体实施方式
作进一步详细的描述。
如图l所示，本实用新型可实现的功能如下
1接收雷电活动所产生的低频/甚低频段电磁辐射波所对应的电磁感应信号，并将电磁感 应信号转换为能够进行调理的电信号。
2对输入的电信号进行模拟信号调理。调理方法包括首先对微弱的电信号进行放大， 然后对放大后的电信号进行低通滤波，以去除信号中的高频噪声以提高信号的信噪比，进一 步对输入信号进行积分变换，把感应而来的微分信号还原为真实信号，积分后的信号将进行 高通滤波，去除不必要的低频噪声信号，经过高通滤波处理的信号在进行模数转换前将进行 差分变换，进一步提高模数转换前的信号的抗干扰能力；
3对输入的差分模拟信号进行数字转化。
4数字滤波，进一步消除或降低噪声对所关心的信号的干扰。
5建立统一的时间标尺，时间标尺的精度达到0. 1US单位。本实用新型中，所有的数字 处理和识别过程均是基于这一时间标尺进行的。时间标尺的发生源是基于高精度、高稳定度 晶振和gps秒脉冲实现。利用时钟误差补偿计算方法对时间标尺进行误差修正，这一补偿方
法是基于连续的计数和平均算法实现的。
6构建地闪雷电信号识别模型。地闪雷电信号识别模型是一种数学模型，通过多种参数 和条件的设定来建立。这些参数参照图2中所示，包括上升参考时间^、下降参考时间^、 先导参考时间^、反向过冲参考时间"、参考阈值g，信号主峰峰值a，次峰最大峰值a， 先导峰值;v反向过冲峰值a。利用verilog语言建立上述峰值参数寄存器，并建立上述参 数的相关条件，即a〉g， p,〉a， a〉a， IaI〉IaI， a极性a极性和时间对比条件。 数字信号在进入模型后， 一旦存在高于阈值g的信号后，模型将结合时间窗预处理7的数裾 进一步精确确定输入信号的各个峰值特征点，并标记各个峰值特征点的时间点和幅值数据。7为一种时间窗预处理，是对数字滤波后的数字信号在进入模型的参数计算和判定之前进行的 一种信号预处理，是建立一段固定长度的时间窗口，时间窗是连续不断的随时间向前移动， 并且持续计算并记录这一端时间内的信号峰值数据和极性数据，判断信号的发展趋势，为地 闪雷电信号识别模型提供参考数据。时间窗预处理方法也是利用VERIL0G语言进行描述并建 立的。
8信号的参数计算和参数判定。
9信号类型和雷电活动类型判定。这两部分均为地闪雷电信号识别模型的一个处理过程。 信号输入后，针对信号各个数字样本点计算出图2中所示的各个参数的数值，并根据判据判 定参数是否满足所设定的条件， 一旦参数计算结果和参数判定结构满足模型所设定的条件， 则类型判定9将会给出类型确认信号。
IO进行特征参数计算和参考时间的计算。在收到类型判定9给出的确认信号后，其将会 立即读取参数计算和判定8中的全部计算结构和波形数据，并计算出能够表征型号类型的全 部特征参数。
11数据编码和存储，对己经计算好的特征参数和对应的全波形数据进行统一编码操作， 以便区分不同雷电过程的数据。编码后的这些数据进行存储。
12数据输出，上述以编码的全部数据可通过通信接口进行数据输出。
如图2所示，典型的地闪波形示意图。其中A为一次地闪雷电活动中主峰峰值，A为后 续峰值中幅值最大的峰值，A为主峰前先导过程的峰值'，A为反向过冲峰值。/,为主峰的上 升时间，^为主峰后的下降时间，/3为主峰前具有参考意义的先导发生时间段，^为具有参 考意义的反向过冲发生的时间段，G为参考阈值线。在地闪雷电信号识别模型的构建中，上 述峰值和时间段是作为模型的主要判据。结合地闪雷电电磁辐射波的特征，及其在传播过程 中的变化特征可确定上述峰值之间的关系以及对应的时间关系等数据。
如图3所示，本实用新型由天线13、信号调理器14、模数转换器15、地闪雷电信号识 别模型模块16、系统控制管理器17、辅助控制管理器18、外部存储器21、时钟20、通信接 口 22组成。其中，天线13的输入端接收电磁场辐射信号，其输出端与信号调理器14的输入 端相连，信号调理器14的输出端与模数转换器15的输入端相连，模数转换器15的输出端与 地闪雷电信号识别模型模块16的数据输入端相连；地闪雷电信号识别模型模块16的时钟输 入端与时钟20的时钟输出端相连；地闪雷电信号识别模型模块16通过数据和地址总线19分 别与系统控制管理器17和辅助控制管理器18相连；地闪雷电信号识别模型模块16的控制输 入输出端与系统控制管理器17的控制输入输出端相连；系统控制管理器17通过数据和地址 总线19与辅助控制管理器18相连，并且通过数据和地址总线19与外部存储器21相连；系 统控制管理器17的通信输入输出口分别与通信接口 22的内侧输入输出口相连，通过通信接 口 22外侧的输入输出口实现与外界通信网相连。天线13是一种微分天线，并具有较宽的频带响应，其中包括雷电信号所对应的低频/甚 低频频段。天线13将所获取的信号Sl送入信号调理器14。信号调理器14内部包含有多级 模拟信号处理器，分别对信号S1进行放大、低通滤波、积分、高通滤波和差分调制，并将信 号Sl调整到适合的动态范围内。信号调理器14将已调理的信号S2送入模数转换器15内。 模数转换器15可以以高速采样率和高精度方式对信号S2进行数字化编码，转换为数字信号 S3。需要说明的是，本实用新型均采用多路通道并行方式，可同时实现多路信号同步输入输 出。信号S3是多路高精度并行数字信号。信号S3被送入地闪雷电信号识别模型模块16。地 闪雷电信号识别模型模块16就是识别模型的实现载体，其建立有多组信号识别条件和辅助信 号处理器，并结合时钟20的时钟信号，在识别平台内建立有统一的时间标尺，所输入信号在 这里将以流水线方式，并根据所设定的判别条件和方法逐一进行处理。识别平台内建有专门 的波形记录缓存区FIFO，可同步记录波形数据。在识别出有效数据后，地闪雷电信号识别模 型模块16将给出确认中断信号至系统控制管理器17。随后系统控制管理器17将通过数据和 地址总线19读取信号特征数据，并且控制辅助控制管理器18读取信号波形数据至外部缓存 器21，系统控制管理器17在对信号特征数据处理后也将处理后的数据写入外部缓存器21。 随后，系统控制管理器17将处理后的数据和波形数据从外部缓存器21中读出并通过通信接 口22将数据送出。
如图4所示，其中，天线13包括南北磁场天线NS、东西磁场天线EW和电场天线EO三
种接收天线，这三种天线分别接收雷电信号对应的特征分量并分别输出以上三路信号。接收
天线与高精度前置放大器23相连。高精度前置放大器23具有三路运算放大器，高精度前置
放大器23对接收天线输出的三路微弱信号进行放大处理，高精度前置放大器23所选用的运
算放大器为高精度极低噪声高速运放，其对经过它放大的信号影响极小，并能确保输入信号
的良好频率响应特性。高精度前置放大器23的输出端与低通滤波器24的输入端相连，低通
滤波器24具有三路低通滤波器，低通滤波器24设定为特定的频率范围，以去除信号中高频
分量，以提高信号的信噪比。，低通滤波器24的输出端与积分器25的输入端相连。积分器
25具有三路积分器，积分器25可将接收天线输入的微分信号还原为真实信号。积分器25的
输出端与高通滤波器26的输入端相连，高通滤波器26具有三路高通滤波器，高通滤波器26
设定为特定频率范围，以去除信号中不必要的低频分量，例如工频信号和低频噪声，以提高
信号的信噪比。需要表明的是，上述滤波及积分器件所用的运算放大器均为高精度极低噪声
高速运算放大器，其中积分运算放大器也是高输入阻抗和低偏执电流的运算放大器。高通滤
波器26的输出端与差分变换器27的输入端相连，差分变换器27具有三路差分变换器，差分
变换器27将单端的输入信号转换为差分信号，以提高信号的抗干扰能力，方便实现高精度采
样。经过上述处理后的输入信号将被限定在一定的动态范围内，以满足模数转换器15 (简称
ADC)输入范围的要求。差分变换器27的输出端与ADC的输入端相连，ADC具有三组变换器，本发明中采用的是ADC是高采样率的12位精度的ADC。 ADC将输入信号转换为数字信号后， 便将三路12位数字信号并行送入地闪雷电信号识别模型模块16,地闪雷电信号识别模型模 块16是基于FPGA建立的，并且地闪雷电信号识别模型以及FPGA内部功能的实现是有 VERIL0GA硬件描述语言构建并实现的。
如图4所示，本实用新型采用的地闪雷电信号识别模型模块16内部主要包括波形预处 理器28、地闪雷电信号识别模型29、雷电信号波形先入先出缓存器31 (简称FIFO)、波形编 码器30、波形特征值寄存器阵列32、时钟电路33、时标信号发生器34、数据接口电路35。 在这里，地闪雷电信号识别模型模块16主要功能是快速准确识别输入信号类型，并对被确定 为地闪雷电信号的数据进行数据计算，并记录对应雷电信号的波形数据。
需要进一步说明的是，在本实用新型中，FPGA的工作模式为被动工作模式，利用了雷电 探测的远程智能升级装置和方法。通过利用这一方法及装置，可实现地闪雷电信号识别模型 模块29的远程智能升级，可根据应用结果和使用需要，对FPGA进行调整或改进，从而可进 一步提高对地闪雷电信号的识别率。
FPGA的工作流程是，ADC输出的三路数字信号在进入FPGA内后将被分为两组。其中一组 保持原有三路数字信号并进入波形预处理器28，波形预处理器28对输入信号进行扫描，判 断信号趋势，其处理时间窗口长度是根据识别条件而设定的，并根据识别模型需要的特征条 件对处于时间窗口内的信号进行特征标记或记录。时间窗口是连续的对信号进行选取的。经 过预处理的信号随即进入地闪雷电信号识别模型29中，在29内部，是根据地闪雷电信号判 别方法设计的硬件识别逻辑，其结合28所记录的数据对输入信号进行综合实时判别， 一旦输 入信号满足设定，识别模型便将所计算的信号数据写入特征值寄存器阵列35中，并给出确认 信号S100。需要说明的是，上述FPGA内处理过程是采用流水线方式进行的，具有三路流水 线结构，电场信号和两路磁场信号同步处理，并相互关联。
另一组是将原有三路数字信号抽样后，送入波形编码器30。所抽样的数字信号依然能够 完整描述输入信号的波形，即其抽样率依然满足采样定理的要求。在波形编码器30内，三路 数字信号被进行串行分组并进行数字编码，数字编码主要包括类型编码和时间编码，以保证 后期波形数据能够容易区分和识别。经过编码后的串行波形数据进入FIFO中，已实现地闪雷 电信号波形记录。FIFO设计有足够的存储深度，以记录使用者所关心的数据长度。
如图4所示，时钟电路33是为整个FPGA和数据采样提供统一的时钟基准的。时钟20是
由全球卫星定位系统37，简称GPS，和高稳定温补晶振36组成，GPS提供秒脉冲时钟，晶振
提供10MHz时钟。时钟电路33为预处理器28、地闪雷电信号识别模型29、波形编码器30、
时标信号发生器34提供高精度时钟信号，以保证模数变换和信号处理的同步性。时标信号发
生器34根据时钟电路33的时钟信号为波形编码器30提供时间标签数据。需要进一步说明的
是，为保证数据进程的同步性，在每个通道内均设有延迟器，延迟器可根据需要调整时间参数。
如图4所示，一旦地闪雷电信号识别模型29给出确认信号S100中断系统控制管理器17， 本发明中系统控制管理器17是采用DSP处理器，DSP在收到S100中断后将立即响应中断信 号，通过并行数据总线和FPGA内部数据接口电路35读取计算数据并存储于外部存储器21内。 同时DSP将控制辅助控制管理器18，以DMA方式，通过并行数据总线和数据接口电路35迅 速读取FIF0内对应的雷电信号波形数据并写入高速大容量存储器21内。本发明中，辅助控 制管理器是利用CPLD建立的，外部存储器是利用SRAM建立的。随后，DSP将读取SRAM内的 存储数据并进行数据计算，得出特征数据，包括能够确定信号类型和雷电活动类型的特征数 据，以及其他用户所关心的特征数据，以及对应时间数据。这些数据将被DSP进行数据打包 及编码处理，并通过通信接口22，发出数据文件。
本实用新型的DSP是负责全局控制管理的，在优先响应地闪雷电信号之外，DSP内部还 建立有实时监控系统和人机对话窗口，可根据上位机命令要求，发送已定义好的各种数据和 系统状态数据。
如图5所示，本实用新型所采用的优选实施方案是在图4给出的方案基础上采用了自检 系统38和大容量非易失性存储器42。其中，自检系统38是由DSP，高速数模转换器39(简 称DAC)、自检信号发生器40、电子开关41组成。DAC根据DSP的输入信号，产生对应的模 拟量信号给自检信号发生器40，自检信号发生器40将模拟量转换为高驱动能力的模拟信号 后，通过电子开关41，将模拟信号送入天线检测入口。通过DSP的控制，自检系统38可产 生模拟雷电信号，包括电场和两路磁场信号，用于数字式雷电探测装置的系统校准和功能测 试，可增强数字式雷电探测装置的环境适应能力和系统稳定性，并可根据自检状态使使用者 了解其运行状态，以便采取处理措施。自检系统38具有可编程特性，可根据需要输出不同强 度和方向角的模拟雷电信号。
大容量非易失性存储器42是一种非易失性存取器，通过DSP对其进行管理和数据读写。 在数字式雷电探测装置独立运行或与外界通信中断时，特征数据和波形数据依然可以通过大 容量非易失性存储器42进行数据保存，即使是失去电力供应呢，其依然能够长期保存，保证 既有探测数据不会丢失。
权利要求1、数字式雷电探测装置，包括天线、信号调理器，其特征在于，由天线(13)，信号调理器(14)，模数转换器(15)，地闪雷电信号识别模型模块(16)，系统控制管理器(17)，辅助控制管理器(18)，通信接口(22)，外部存储器(21)及时钟(20)组成；系统控制管理器(17)采用的是数字信号处理器；辅助控制管理器(18)采用复杂可编程逻辑器件；外部存储器(21)采用的是大容量并行高速静态存储器；天线(13)设有接收雷电电磁场辐射电磁波信号的输入端，天线(13)的输出端与信号调理器(14)的输入端相连，信号调理器(14)的输出端与模数转换器(15)的输入端相连，模数转换器(15)的输出端与地闪雷电信号识别模型模块(16)的数据输入端相连；模数转换器(15)的时钟输入端与地闪雷电信号识别模型(29)模块(16)的时钟输出端相连；地闪雷电信号识别模型模块(16)的时钟输入端与时钟(20)的输出端相连；地闪雷电信号识别模型模块(16)通过数据和地址总线分别与系统控制管理器(17)和辅助控制管理器(18)相连；系统控制管理器(17)通过数据和地址总线与辅助控制管理器(18)相连，并且通过数据和地址总线与外部存储器(21)相连；地闪雷电信号识别模型模块(16)、系统控制管理器(17)、辅助控制管理器(18)和外部存储器(21)之间的控制输入输出端分别通过各自的控制总线相连；系统控制管理器(17)的通信输入输出口分别与通信接口(22)的内侧输入输出口相连；通信接口(22)外侧的输入输出口与外界通信网相连。
2、 根据权利要求l所述的数字式雷电探测装置，其特征在于，所述的地闪雷电信号识别 模型模块(16)采用的是现场可编程门阵列器件，简称FPGA; FPGA采用被动配置工作模式； 内部连接均采用的是并行同步总线方式连接；FPGA内部逻辑区是由波形预处理器(28)、地 闪雷电信号识别模型(29)、雷电信号波形先入先出缓存器(31)简称FIF0、波形编码器(30)、 波形特征值寄存器阵列(32)、时钟电路(33)、时标信号发生器(34)和数据接口电路(35) 组成；波形预处理器(28)的输入端与FPGA的数据输入端相连；波形预处理器(28)的输出 端与地闪雷电信号识别模型(29)的输入端相连；地闪雷电信号识别模型(29)的输出端与 波形特征值寄存器阵列(32)的输入端相连；波形特征值寄存器阵列(32)的输出端与数据 接口电路(35)的输入端相连；波形编码器(30)的输入端与FPGA的数据输入端相连；波形 编码器(30)的输出端与FIFO的输入端相连；FIFO的输出端与数据接口的输入端相连；数 据接口的输出端通过FPGA上的地址与数据总线与外界相连；时钟(20)的输出端与FPGA的 时钟输入端相连；时钟电路(33)输出端分别与FPGA的时钟输出端、波形预处理器(28)、 地闪雷电信号识别模型(29)、波形编码器(30)、时标信号发生器(34)的时钟输入端相连；时标信号发生器(34)的输出端与波形编码器(30)的时标信号输入端相连。
3、 根据权利要求l所述的数字式雷电探测装置，其特征在于，还包括大容量非易失性存 储器(42)和系统控制管理器(17)控制的自检系统(38);大容量非易失性存储器(42)是 一种高速并行存储器；自检系统(38)是由高速数模转换器(39),简称DAC、自检信号发生 器(40)、电子开关(41)及系统控制管理器(17)组成；系统控制管理器(17)的自检信号 输出端与DAC的输入端相连；DAC的输入端与自检信号发生器(40)的输入端相连；自检信 号发生器(40)的输出端与电子开关(41)的输入端相连；电子开关(41)的输出端输出与 天线(13)的模拟信号输入端相连。
4、 根据权利要求l所述的数字式雷电探测装置，其特征在于，所述的信号调理器(14) 是由前置放大器(23)、低通滤波器(24)、积分器(25)、高通滤波器(26)和差分变换器(27) 组成；前置放大器(23)的输入端与信号调理器(14)的信号输入端相连；前置放大器(23) 的输出端与低通滤波器(24)的输入端相连；低通滤波器(24)的输出端与积分器(25)的 输入端相连；积分器(25)的输出端与高通滤波器(26)的输入端相连；高通滤波器(26)的输 出端与差分变换器(27)的输入端相连；差分变换器(27)的输出端入信号调理器(14)的输出 端相连；信号调理器(14)中所采用的运算放大器均采用超低噪声运算放大器，信号调理器(14)输出的信号为差分信号。
5、 根据权利要求l所述的数字式雷电探测装置，其特征在于，所述的时钟(20)由高稳 定的、精度为土0.1卯m的温补晶振(36)和全球卫星定位系统(37)组成；并建立有时钟误 差修正的控制器。
6、 根据权利要求l 述的数字式雷电探测装置，其特征在于，天线(13)包括南北磁场 天线、东西磁场天线和电场天线三种接收天线。
专利摘要本实用新型涉及数字式雷电探测装置，由天线，信号调理器，模数转换器，地闪雷电信号识别模型模块，系统控制管理器，辅助控制管理器，通信接口，外部存储器及时钟组成；系统控制管理器采用的是数字信号处理器；辅助控制管理器采用复杂可编程逻辑器件；外部存储器采用的是大容量并行高速静态存储器。本实用新型的优点是，构思新颖、设计合理、性能稳定，通过DSP、CPLD和FPGA组合运用，实现了地闪雷电信号识别模型的完全可编程性，并具有可再配置能力。
文档编号G01R29/08GK201378190SQ200920084968
公开日2010年1月6日 申请日期2009年4月14日 优先权日2009年4月14日
发明者冯万兴, 吴裕斌, 康文斌, 勤 张, 彭庆华, 方玉河, 曹丹华, 王海涛, 许远根, 谷山强, 陈家宏 申请人:国网电力科学研究院