专利名称：甚低频与甚高频结合的全闪电定位系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及气象观测设备，具体涉及甚低频与甚高频全闪电定位系统。
背景技术：
闪电是严重的主要自然灾害之一，可引起森林和油库火灾、造成供电及通讯信息 系统故障或损坏，对航天航空、矿山及一些重要而敏感的高技术装备等具有重大威胁。八十 年代以后，闪电引起的危害显著增加，特别是与高新技术关系密切的领域，如航空航天、国 防、通讯、电力、计算机、电子工业等由于广泛应用对闪电电磁干扰极为敏感的大规模及超 大规模集成电路致使遭雷击的几率大大增加；据保守估计，我国每年因雷害造成的直接经 济损失超过数亿元，而由此造成的间接经济损失和影响难以估计，由于其成灾迅速而给其 研究、预报和防治带来了极大的困难。而闪电探测和定位系统能对雷电活动进行预警，从而减小闪电所导致的有害影 响。由于闪电定位系统能够不间断地监测“地闪”和“云闪”时空演变、甚至放电通道的发 展，所以这些系统也可用于确定一个指定区域内发生闪电的数量，以及放电参数的统计特 征，因此发展新的闪电探测技术是当前非常迫切的任务。

实用新型内容本实用新型的目的在于克服现有技术中的缺陷，设计一种甚低频与甚高频结合的 全闪电定位系统，该系统根据雷电辐射特点以及闪电探测的具体需求，专门设计雷电辐射 信号采集分析记录系统。该系统可用于确定一个指定区域内发生闪电的数量，以及放电参 数的统计特征，并能对雷电活动进行预警。为实现上述目的，本实用新型的全闪电定位系统是采用一种甚低频与甚高频相结 合的技术方案，该系统包括至少五个闪电定位监测站点，所述闪电定位监测站点内设有甚 低频闪电辐射接收机、甚高频闪电辐射接收机、GPS接收机、工控机、以及PCI数据采集卡； 所述PCI数据采集卡内设有脉冲峰值采集通道、数据段采集通道、秒同步模块、采样时钟模 块以及PCI控制器；所述甚低频闪电辐射接收机与所述数据段采集通道相连，通过所述数 据段采集通道采集所述甚低频闪电辐射接收机探测到的信号；所述甚高频闪电辐射接收机 与所述脉冲峰值采集通道相连，通过所述脉冲峰值采集通道采集所述甚高频闪电辐射接收 机探测到的信号；所述GPS接收机与所述秒同步模块相连；所述GPS接收机通过GPS时钟模 块与所述采样时钟模块相连；所述GPS接收机接入所述工控机的串口，输入GPS串口信息； 所述PCI数据采集卡插入所述工控机上设置的PCI插槽，通过PCI总线传递数据。其中，所述甚低频闪电辐射接收机包括依次连接的接收天线、积分放大器、滤波 器、驱动输出电路、模/数转换电路及记录设备，所述接收机用于探测接收闪电产生的瞬态 电场变化。其中，所述甚高频闪电辐射接收机包括依次连接的接收天线、预选滤波器、变频 器、中频滤波器、对数放大器、驱动输出电路、模/数转换电路及记录设备，所述接收机用于探测小尺度放电过程产生的VHF辐射信号。其中，所述工控机内设有所述数据采集模块及数据处理软件，所述数据处理软件用于分析、处理闪电波形，并得到闪电辐射信号到达的时间戳。其中，所述GPS接收机、所述甚低频闪电辐射接收机、所述甚高频闪电辐射接收机 集成于所述工控机内，所述GPS接收机用于频率基准校正，输出准确的频率信号，同时也向 系统提供精确的时间基准。其中，所述甚高频闪电辐射接收机中的天线为盘锥天线，所述盘锥天线为线性极 化的宽带全向天线。其中，所述数据采集部件设有2个独立的采样信道，所述两个信道的最高数据采 样速率分别为5MS/s和50MS/s。其中，所述工控机内设有触发电路与存储器，所述触发电路用于当采集部件接收 到的信号大于设定的阈值后，所述触发电路被触发采集闪电波形、闪电辐射强度及信号时 间戳，并通过互联网传输数据，同时将所述信号存储到所述存储器内。本实用新型的优点和有益效果在于在上述硬件与软件的配合下，该系统可用于 确定一个指定区域内发生闪电(云闪和地闪)的数量，闪电时空演变特征，放电类型，以及 放电参数的统计特征，并能对雷电活动进行预警。
图1是本实用新型甚低频与甚高频结合的全闪电定位系统框图；图2是本实用新型甚低频与甚高频结合的全闪电定位系统中甚低频闪电辐射接 收机系统框图；图3是本实用新型甚低频与甚高频结合的全闪电定位系统中甚高频闪电辐射接 收机系统框图；图4是本实用新型甚低频与甚高频结合的全闪电定位系统中GPS时钟模块结构框 图；图5是本实用新型甚低频与甚高频结合的全闪电定位系统中调谐电压控制算法 软件流程图；图5中Err 频率误差绝对值；Nzflag 当前误差极性；Preig 上次误差极性； Zlag 连续零误差数；Incre 控制量增量；图6是本实用新型甚低频与甚高频结合的全闪电定位系统中数据采集卡的结构 框图。
具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式
作进一步描述。以下实施 例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。如附图1至图5所示，本实用新型具体实施的技术方案是如附图1所示一种甚低频与甚高频结合的全闪电定位系统，该系统包括至少五个 闪电定位监测站点，所述闪电定位监测站点内设有甚低频闪电辐射接收机、甚高频闪电辐 射接收机、GPS接收机、工控机，所述站点利用GPS接收机提供绝对时间基准，得到闪电VLF/ LF辐射脉冲和VHF辐射脉冲到达各站点的时间和波形，利用工控机对所获得波形数据进行 预处理，然后通过互联网把所获得的数据实时传输到用于分析、处理所述脉冲的工控机，实现对闪电放电事件的实时监测和三维定位。一般来讲，甚低频系统探测的信号往往对应于闪电放电过程中较大尺度电流过 程，通常仅可获得一个有效的位置，而甚高频系统探测更小尺度的击穿过程产生的辐射信 号，它可以探测到云闪放电过程的初始击穿、先导放电等过程，也可描绘出闪电通道。因此， 本实用新型结合这两种闪电定位系统特点，采用甚低频和甚高频频段探测系统联合的方 案，研制完成了这套既能探测地闪，也能探测云闪(包括一些发生在云内的特殊放电事件) 的全闪电探测设备。闪电发生具有较大的离散性，在闪电密集时刻时段会产生数量巨大的辐射脉冲， 若要完整的监测雷电事件，系统必须准确记录每个闪电放电事件的特征参数和发生时刻， 即必须设计一个数据吞吐率很高的系统结构来实现雷电密集时段对全部事件的可靠记录， 且这样做的结果不单是获取雷电细节波形数据量巨大，也使得后期分析的时间和成本也非 常高，对大多的监测目的下并不值得。因此，本实用新型根据雷电辐射特点以及闪电探测的 具体需求，专门设计研制了雷电辐射信号采集分析记录系统。该套雷电探测系统甚低频与甚高频辐射相结合的方案。主要由甚低频闪电辐射接 收机、甚高频闪电辐射接收机、GPS时钟同步系统和雷电辐射信号数据采集系统构成。甚低 频闪电辐射接收机用于探测的闪电产生的瞬态电场变化，其原理与常用的快电场变化仪相 似，工作频段为200Hz 3MHz ；甚高频闪电辐射接收机主要用来探测小尺度放电过程产生 的辐射信号，为避免当地无线通讯信号干扰，该接收机中心频率设置为30-300MHZ连续可 调，带宽8MHz，将雷电辐射信号经过预选滤波、变频、中频滤波、对数放大等处理，使其成为 适应数据采样的信号传送给数据采集系统。精确时钟信息从GPS接收机获得，本机振荡器 由GPS的IPPS基准信号进行同步。系统板上根据需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路 (CPLD)实时处理两种时间窗口内的模/数(A/D)采集数据的特征，并记录精确的时间标记。 数据采集器分别以5Msps和50Msps的采样速率数字化电场变化和VHF辐射信号，此后信号 连续地与预先设定的数值触发阈值比较，当信号强度超过给定阈值时，数字化后的电场变 化波形借助采集卡(工控机I)总线传输至工控机内存，捕获每一个电场变化脉冲而没有任 何死时间，并实时提取波形特征参数，随后原始波形和波形参数被写入存储介质。对甚高频 信号，利用数据采集卡上的现场可编程门阵列FPGA(Eield Programmable Gate Array)，对 数字化后的辐射场信号进行窗口化处理，记录信号峰值、时间，以及其它主要波形参数，转 移格式数据输出到一个缓存器(FIFO)，工控机从FIFO提取数据然后写入存储介质。如图1所示，整个系统硬件由甚低频闪电辐射接收机、甚高频闪电辐射接收机、 GPS接收机、数据采集卡及工控机组成。如图2所示，在本实用新型中所述甚低频闪电辐射接收机包括依次连接的接收天 线、积分放大器、滤波器、驱动输出电路、模/数转换电路及记录设备，所述接收机用于探测 接收闪电产生的瞬态电场变化。如图3所示，所述甚高频闪电辐射接收机包括依次连接的接收天线、预选滤波器、 变频器、中频滤波器、对数放大器、驱动输出电路、模/数转换电路及记录设备，所述接收机 用于探测小尺度放电过程产生的辐射信号。闪电在甚高频频段的辐射信号主要由较小尺度 击穿过程产生，可探测到闪电的初始击穿、先导放电等过程，可较详细的描绘出闪电发展通 道，这对闪电物理机制、闪电发生发展时空演变特征研究、以及闪电特征与雷暴云降水特征关系研究有很高的实用价值。但在该频段，也存在各种无线通讯信号，且这些信号因在不同 地区或不同时段而不同，这些信号有时会严重影响甚高频闪电探测系统正常工作。基于上 述情况，本实用新型专门研制了调谐式闪电甚高频信号接收机。通过控制计算机RS232接 口，其中心频率可在30MHz 300MHz内任意调节。该功能使得闪电定位探测系统的安装 架设更加容易、灵活方便，而不必事先了解安装站点附近的电磁环境。该接收机有本振源 (FS0330)和接收机(RE0330)两部分构成，有对数检波输出和中频输出，其中视频输出带宽 为8MHz，中频输出带宽更宽为20MHz。为配合调谐式特高频接收机，采用盘锥天线，这是一种线性极化的宽带全向天线。GPS时钟模块设计GPS接收机选用Motorola公司的M12T高精度GPS授时模块。该模块能同时跟踪 12颗卫星，输出高精度的IPPS脉冲信号及NEMA-0183的串口数据。IPPS信号可用于采样 时钟的校准及采集卡的秒同步。串口数据包含UTC时刻、经度、纬度、海拔及接收机状态等 信息，为采集系统提供精确的时刻及采集环境信息。GPS时钟模块以GPS接收机送出的IPPS脉冲为参考，产生高精度高稳定度的100M 时钟信号，为PCI数据采集卡提供高质量的采样时钟源，以减小时间误差，提高雷电的定位 精度。GPS接收机模块组成及原理GPS时钟模块采用一种模数混合、软件锁相的方案构造，其结构如图4所示。IOM 压控温补晶振(VCTCXO)的输出经倍频得到100M时钟，该时钟作为FPGA内部的模为10，000 的计数器的时钟，FPGA在每个IPPS脉冲上升沿锁存计数器的值，并向M6759单片机申请中 断，工控机在读出计数值后与上一次的计数值作比较得出该秒输出时钟的误差，在工控机 内根据调谐电压控制算法将误差转换为压控温补晶振的数字调谐电压，经数模(D/A)转换 后控制VCTCX0，形成闭环控制。这种方案的好处是输出频率的长期稳定度由GPS的IPPS信号保证，而短期稳定度 取决于VCTCXO晶振。选取的压控温补晶振的温度稳定度为士0.5ppm，年老化率为lppm。由于压控温补晶振的稳定度为士0. 5ppm,经测试，晶振在0 5V控制电压下的频 率变化为-200 300Hz，故选用10，000为模的计数器留有充分的裕量。50MHz的时钟一方 面送入模为10，000的计数器作为计数脉冲，另一方面作为时钟去采样IPPS脉冲的上升沿， 采集到的上升沿信号作为计数器的锁存与单片机的中断申请信号，当外部读取计数值时便 可自动清除中断请求信号。实际选取的压控温补晶振的温度稳定度为士0. 5ppm，年老化为lppm，控制电压的 调节范围为0 5V，D/A选用转换精度为12位的TLC5618。调谐电压控制算法根据频率误 差的大小与连续零误差秒数两个特征量来计算调谐电压的，在平衡位置处压控温补晶振的 误差模型可近似为带扰动的比例环节，其控制规律为在频率误差大于1时取误差的2倍作 为调谐电压的增量，在误差小于等于1时根据连续零误差数与误差极性查表得到调谐电压 的增量，该部分的软件流程如图5所示。GPS时钟模块外围硬件扩展为更方便的扩展GPS时钟模块，GPS时钟模块与外部的通信途径包括RS232串口 与PC104总线，通过RS232可读取串行的NEMA-0183数据，通过PC104总线可直接读取解析后的NEMA-0183数据，其中NEMA-0183数据的解析在单片机内实现。数据采集卡本系统使用的PCI数据采集卡是并行两通道数据采集卡改造而成。PCI数据采集 卡以IPPS脉冲为秒同步信号、以GPS时钟模块的输出为采样时钟，两通道独立完成闪电辐 射的脉冲峰值特征采集与闪电波形采集，通过PCI总线将采集数据送至工控机。数据采集卡硬件结构PCI数据采集卡核心算法采用了 FPGA设计，集成度与可靠性高。本机使用的A/D转 换器的最高采样频率为70Msps，分辨率为12位，脉冲峰值采集通道采样频率固定为50MHz， 波形数据段采集通道采样频率为200K、500K、1M、2M、5M可设，数据采集卡的结构如图6所示。秒同步与脉冲峰值采集秒同步与脉冲峰值采集原理如图7所示。采集卡在每个IPPS脉冲的上升沿复位 采集卡的秒内采样时钟周期计数器，使该计数器的计数值能表示某脉冲峰值在该秒内的精 确时刻，使得各分布节点的数据有了统一的时间参考点，实现了节点间的计时同步，并能有 效地消除系统长期监测的时间累积误差。脉冲峰值的识别采用时间窗最大值法，首先根据 实际的特性，为脉冲峰值采集选取合适的时间窗宽度与触发电平，采集卡从秒起始处以窗 宽为搜索单位分段查找最大值，记录最大值对应的秒序号、幅度、脉冲宽度及秒内的采样周 期计数值，并将四者拼成脉冲记录，如果该最大值幅度大于所设定的触发电平则将该脉冲 记录压入采集卡的缓存，反之丢弃该条记录。采样时间窗查找法可能使得输入的一个脉冲产生了两个脉冲峰值记录，当输入脉 冲横跨几个窗时就可能输出几个脉冲，虽然这带来了输入量的加大，但却为雷电放电脉冲 的识别增加了信息，在多站点的数据融合、雷电定位计算时减少错误或信号性质的误判等。脉冲峰值采集大大降低了数据量。对于50MHz采样频率、12位A/D转换的脉冲峰 值采集系统，连续波形采集时秒数据吞吐量为略为100M，数据的传输、保存与分析都存在很 大的困难。采用脉冲峰值采集时，若选定时间窗宽为10us，则最大会产生100，000个脉冲峰 值记录，每个脉冲峰值记录占6个字节，其总占用空间为连续波形采集时的1/166，大大降 低了数据的存储、传输与处理难度。数据段采集数据段采集通道用于采集快电场变化信号，该通道的采样频率较低，一般在2MHz， 但要求能在该频率下对输入进行连续采集。为降低该通道的数据量，采用了段采集方式，该 通道有一个根据实际情况设定的触发电平与采集深度，每次触发，采集卡会连续采集所设 深度的一个数据段。每个段由段起始标志、段起始秒序号、段起始秒内时刻、有效数据及段 结束标志组成。段的起始标志与结束标志是根据信号的属性确定的，采集卡A/D为12位，采 集卡向上层传数时，将连续两个采集值拼接成一个24位的数通过PCI总线传递给工控机， 采集卡对应O数据的A/D值为0x0，对应满量程的A/D值为Oxfff，则在正常情况下不会连 续两次出现最小到最大或最大到最小的聚变，因此该通道的数据取0X000fff、0X000fff为 一个段的起始标志，取0xfff000、0xfff000为段的结束标志。数据采集卡与工控机的数据传递采集卡与工控机间采用PCI总线传递数据。由于GPS数据是通过串口传递至工控机的，采集数据是通过PCI总线传递至工控机的，为保证某一秒的串口数据与该秒的PCI总线数据在时刻上能正确对应，PCI数据采集卡的数据传递必须保证严格的实时性，因此数据 采集卡在每个IPPS脉冲的上升沿都会向工控机申请中断，在数据量到达一定量时也会向 工控机申请中断，工控机响应中断，将PCI数据采集卡上的数据全部读取到工控机。 以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，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技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改 进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
权利要求一种甚低频与甚高频结合的全闪电定位系统，其特征在于，该系统包括至少四个以上闪电定位监测站点，所述闪电定位监测站点内设有甚低频闪电辐射接收机、甚高频闪电辐射接收机、GPS接收机、工控机、以及PCI数据采集卡；所述PCI数据采集卡内设有脉冲峰值采集通道、数据段采集通道、秒同步模块、采样时钟模块以及PCI控制器；所述甚低频闪电辐射接收机与所述数据段采集通道相连，通过所述数据段采集通道采集所述甚低频闪电辐射接收机探测到的信号；所述甚高频闪电辐射接收机与所述脉冲峰值采集通道相连，通过所述脉冲峰值采集通道采集所述甚高频闪电辐射接收机探测到的信号；所述GPS接收机与所述秒同步模块相连；所述GPS接收机通过GPS时钟模块与所述采样时钟模块相连；所述GPS接收机接入所述工控机的串口，输入GPS串口信息；所述PCI数据采集卡插入所述工控机上设置的PCI插槽，通过PCI总线传递数据。
2.如权利要求1所述的甚低频与甚高频相结合的全闪电定位系统，其特征在于，所述 甚低频闪电辐射接收机包括依次连接的接收天线、积分放大器、滤波器、驱动输出电路，所 述接收机将接收到的信号传送给工控机中的模/数转换电路和数据记录设备，所述接收机 用于探测接收闪电产生的瞬态电场变化。
3.如权利要求1所述的甚低频与甚高频结合的全闪电定位系统，其特征在于，所述甚 高频闪电辐射接收机包括依次连接的接收天线、预选滤波器、变频器、中频滤波器、对数放 大器、驱动输出电路，所述接收机将接收到的信号传送给工控机中的模/数转换电路及记 录设备，所述接收机用于探测闪电小尺度放电过程产生的VHF辐射信号。
4.如权利要求2或3所述的甚低频与甚高频结合的全闪电定位系统，其特征在于，所述 工控机内设有闪电脉冲波形数据采集电路及数据处理软件，所述数据处理软件用于分析、 处理提取闪电波形，闪电波形特征参数和闪电信号到达时间。
5.如权利要求4所述的甚低频与甚高频结合的全闪电定位系统，其特征在于，所述GPS 接收机、所述甚低频闪电辐射接收机、所述甚高频闪电辐射接收机集成于所述工控机内，所 述GPS接收机用于频率基准校正，输出准确的频率信号，同时也向系统提供精确的时间基 准。
6.如权利要求5所述的甚低频与甚高频结合的全闪电定位系统，其特征在于，所述甚 高频闪电辐射接收机中的天线为盘锥天线，所述盘锥天线为线性极化的宽带全向天线。
7.如权利要求6所述的甚低频与甚高频结合的全闪电定位系统，其特征在于，所述数 据采集部件设有2个独立的采样信道，所述两个信道的最高数据采样速率分别为5MS/s和 50MS/s。
8.如权利要求2或3所述的甚低频与甚高频结合的全闪电定位系统，其特征在于，所述 工控机内设有触发电路与存储器，所述触发电路用于当采集卡接收到的监测信号大于设定 的阈值后，所述触发电路被触发并记录闪电脉冲波形、提取闪电波形特征参数和相应闪电 事件的时间戳，将所述数据存储到所述存储器内，并同时通过互联网发送到用于闪电定位 处理的计算机。
专利摘要本实用新型是一种甚低频与甚高频结合的全闪电定位系统，其特征在于，该系统包括至少四个闪电定位监测站点，所述闪电定位监测站点内设有甚低频闪电辐射接收机、甚高频闪电辐射接收机、GPS接收机、工控机，所述站点利用GPS接收机提供时间基准，得到闪电电场变化脉冲和VHF辐射脉冲到达各站点的时间和波形，利用工控机对所获得波形数据进行预处理，然后通过互联网把所获得的数据实时传输到用于分析、处理所述脉冲波形的工控机，实现对闪电放电事件的实时监测和三维定位。在上述硬件与软件的配合下，该系统可用于确定一个指定区域内发生闪电放电事件的数量、类型和特征参数，以及其统计特征，对雷电活动进行监测预警。
文档编号G01R29/08GK201555946SQ20092017291
公开日2010年8月18日 申请日期2009年8月12日 优先权日2009年8月12日
发明者刘恒毅, 张义军, 王涛, 董万胜 申请人:中国气象科学研究院