專利名稱：甚低頻全閃電定位系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及氣象觀測(cè)設(shè)備，具體涉及甚低頻全閃電定位系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
閃電是嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，可引起森林和油庫火災(zāi)、造成供電及通訊信息系統(tǒng) 故障或損壞，對(duì)航天航空、礦山及一些重要而敏感的高技術(shù)裝備等具有重大威脅。八十年代 以后，閃電引起的危害顯著增加，特別是與高新技術(shù)關(guān)系密切的領(lǐng)域，如航空航天、國防、通 訊、電力、計(jì)算機(jī)、電子工業(yè)等由于廣泛應(yīng)用對(duì)閃電電磁干擾極為敏感的大規(guī)模及超大規(guī)模 集成電路致使遭雷擊的幾率大大增加；據(jù)保守估計(jì)，我國每年因雷害造成的直接經(jīng)濟(jì)損失 超過數(shù)億元，而由此造成的間接經(jīng)濟(jì)損失和影響難以估計(jì)，由于其成災(zāi)迅速而給其研究、預(yù) 報(bào)和防治帶來了極大的困難?，F(xiàn)有技術(shù)中多注意地閃回?fù)籼綔y(cè)，還沒有有效的可用于云內(nèi) 閃電活動(dòng)探測(cè)的技術(shù)和閃電放電事件識(shí)別方法。而閃電探測(cè)和定位系統(tǒng)能對(duì)雷電活動(dòng)進(jìn)行預(yù)警，從而減小閃電所導(dǎo)致的有害影 響。由于閃電定位系統(tǒng)能夠不間斷地監(jiān)測(cè)“地閃”和“云閃”時(shí)空演變，所以這些系統(tǒng)也可 用于確定一個(gè)指定區(qū)域內(nèi)發(fā)生閃電的數(shù)量，以及放電參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征，因此發(fā)展閃電探測(cè) 技術(shù)和預(yù)警預(yù)報(bào)方法是當(dāng)前非常迫切的任務(wù)。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，設(shè)計(jì)一種甚低頻全閃電定位系 統(tǒng)，該系統(tǒng)通過軟件設(shè)計(jì)的浮動(dòng)觸發(fā)電平，連續(xù)捕獲記錄閃電脈沖波形而無死時(shí)間。該系統(tǒng) 即可用于確定一個(gè)指定區(qū)域內(nèi)發(fā)生閃電的數(shù)量，以及放電參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征，用于雷電活動(dòng) 進(jìn)行預(yù)警，也可用于閃電機(jī)理的科學(xué)研究。也可用于閃電機(jī)理的科學(xué)研究。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案是采用一種甚低頻全閃電定位系統(tǒng)，該 系統(tǒng)包括至少四個(gè)閃電定位監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，所述閃電定位監(jiān)測(cè)站點(diǎn)內(nèi)設(shè)有甚低頻閃電輻射接收 機(jī)、GPS接收機(jī)、計(jì)算機(jī)。所述數(shù)據(jù)采集卡設(shè)置在所述計(jì)算機(jī)內(nèi)；所述甚低頻閃電輻射接收 機(jī)與所述計(jì)算機(jī)相連，用于探測(cè)閃電產(chǎn)生的瞬態(tài)電場(chǎng)變化，并將閃電瞬態(tài)電場(chǎng)變化信號(hào)傳 送給所述計(jì)算機(jī)；所述GPS接收機(jī)與所述計(jì)算機(jī)相連，用于采樣頻率校正，輸出準(zhǔn)確的頻率 信號(hào)，同時(shí)也向系統(tǒng)提供精確的時(shí)間基準(zhǔn)。其中，所述甚低頻閃電輻射接收機(jī)包括依次連接的接收天線、積分放大器、濾波 器、驅(qū)動(dòng)輸出電路，模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路及記錄設(shè)備。其中，所述計(jì)算機(jī)內(nèi)設(shè)有所述數(shù)據(jù)采集卡及數(shù)據(jù)處理軟件。其中，所述GPS接收機(jī)(模塊)設(shè)置與所述甚低頻閃電輻射接收機(jī)在所述計(jì)算機(jī) 內(nèi)。所述GPS接收機(jī)(模塊)用于采樣頻率校正，輸出準(zhǔn)確的頻率信號(hào)，同時(shí)也向系統(tǒng)提供 精確的時(shí)間基準(zhǔn)。其中，所述甚低頻閃電輻射接收機(jī)設(shè)置在室外的玻璃鋼防護(hù)罩內(nèi)。[0011]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和有益效果在于在上述硬件與軟件的配合下，該系統(tǒng)可用于 確定一個(gè)指定區(qū)域內(nèi)發(fā)生閃電的數(shù)量、位置、閃電放電類型、以及相應(yīng)放電參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特 征，并能對(duì)雷電活動(dòng)進(jìn)行預(yù)警。
圖1是本實(shí)用新型甚低頻全閃電定位系統(tǒng)框圖；圖2是本實(shí)用新型甚低頻全閃電定位系統(tǒng)中甚低頻閃電輻射接收機(jī)系統(tǒng)框圖；圖3是本實(shí)用新型甚低頻全閃電定位系統(tǒng)中甚低頻閃電輻射接收機(jī)的防護(hù)罩結(jié) 構(gòu)示意圖；圖4是本實(shí)用新型甚低頻全閃電定位系統(tǒng)中存儲(chǔ)程序框圖；圖5是本實(shí)用新型甚低頻全閃電定位系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集方式原理示意圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施 例僅用于更加清楚地說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案，而不能以此來限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。如附圖1至圖5所示，本實(shí)用新型具體實(shí)施的技術(shù)方案是如附圖1所示一種甚低頻全閃電定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括至少四個(gè)閃電定位監(jiān)測(cè)站 點(diǎn)，所述閃電定位監(jiān)測(cè)站點(diǎn)內(nèi)設(shè)有甚低頻閃電輻射接收機(jī)(圖中的探頭)、計(jì)算機(jī)、GPS接 收機(jī)。所述站點(diǎn)利用GPS接收機(jī)提供的精確時(shí)鐘，得到閃電電場(chǎng)變化脈沖到達(dá)各站點(diǎn)的時(shí) 間，并記錄閃電快電場(chǎng)變化波形，通過計(jì)算機(jī)對(duì)所獲數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的處理，通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù) 據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到用于分析、處理所述脈沖的計(jì)算機(jī)，通過專用軟件對(duì)閃電放電事件進(jìn)行定位、 放電類型識(shí)別、統(tǒng)計(jì)處理多種放電參數(shù)。如附圖2所示該系統(tǒng)由甚低頻閃電輻射接收機(jī)(快電場(chǎng)變化儀)，高精度GPS同 步時(shí)鐘，以及計(jì)算機(jī)(閃電波形采集分析處理設(shè)備)構(gòu)成。快電場(chǎng)變化傳感器運(yùn)行在 200Hz 3MHz頻段，探測(cè)閃電產(chǎn)生的瞬態(tài)電場(chǎng)變化。GPS信號(hào)用于頻率基準(zhǔn)校正，保證更高 準(zhǔn)確度的頻率信號(hào)輸出，同時(shí)也向系統(tǒng)提供精確的時(shí)間基準(zhǔn)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)+ 高速數(shù)字化儀，以lOMsps的采樣速率數(shù)字化電場(chǎng)變化信號(hào)。采用浮動(dòng)電平觸發(fā)設(shè)置和閃電 輻射脈沖波形無間隔連續(xù)捕獲工作方式，即將觸發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成完全基于軟件的、可靈活執(zhí) 行不同觸發(fā)算法的模式，通過連續(xù)監(jiān)視環(huán)境背景中的低頻非閃電干擾信號(hào)，實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整 觸發(fā)電平，實(shí)現(xiàn)適用于浮動(dòng)背景的雙極性觸發(fā)模式。將信號(hào)值連續(xù)地與預(yù)先設(shè)定的觸發(fā)閾 值比較，當(dāng)一個(gè)采樣點(diǎn)被探測(cè)到大于這個(gè)閾值時(shí)，有一定前置觸發(fā)段和后置觸發(fā)段的波形 被捕獲。隨后根據(jù)閃電甚低頻輻射波形特點(diǎn)，對(duì)超過觸發(fā)閾值的數(shù)據(jù)片斷進(jìn)行預(yù)處理，處理 后的電場(chǎng)變化波形數(shù)據(jù)以及相應(yīng)觸發(fā)記錄開始時(shí)刻標(biāo)記的時(shí)間信息存儲(chǔ)在本地磁盤，同時(shí) 通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸?shù)介W電定位、分析處理的計(jì)算機(jī)。軟件采用多線程安全變量和安全隊(duì) 列技術(shù)將數(shù)據(jù)采集、觸發(fā)預(yù)處理、存儲(chǔ)任務(wù)分給幾個(gè)獨(dú)立的線程同時(shí)執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)閃電甚低 頻輻射脈沖波形的連續(xù)捕獲而沒有任何死時(shí)間。整個(gè)采集記錄系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)統(tǒng)一控制實(shí)現(xiàn) 無人職守自動(dòng)運(yùn)行。本實(shí)用新型中的三維時(shí)差法閃電探測(cè)系統(tǒng)是利用GPS精確同步測(cè)量多站閃電快 電場(chǎng)變化脈沖波形，實(shí)現(xiàn)對(duì)云閃和地閃的三維定位及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，其GPS接收機(jī)的測(cè)時(shí)精度 決定整個(gè)系統(tǒng)的定位精度。本系統(tǒng)中的GPS接收機(jī)采用了低相噪鎖相環(huán)技術(shù)和大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)，內(nèi)置高穩(wěn)定度恒溫晶振OCXO和高品質(zhì)、高精度授時(shí)型GPS接收機(jī)，采用先進(jìn)的 GPS頻率測(cè)控技術(shù)，對(duì)晶體振蕩器的輸出頻率進(jìn)行精密測(cè)量與調(diào)節(jié)，采用智能學(xué)習(xí)算法，在 GPS馴服晶振的過程中能夠不斷“學(xué)習(xí)”晶振的漂移等特性，并將這些參數(shù)存入板載EEPROM 存儲(chǔ)器中。輸出的Ipps信號(hào)是GPS馴服晶振輸出IOMHz信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過10，000，000次分 頻后得到的，相位與載波信號(hào)嚴(yán)格一致，且不受GPS秒脈沖短時(shí)間隨機(jī)跳變帶來的影響，相 當(dāng)于UTC時(shí)間基準(zhǔn)的“復(fù)現(xiàn)”。當(dāng)GPS出現(xiàn)異?；虿豢捎脮r(shí)，自動(dòng)切換到保持模式，利用高效 的智能保持算法，依靠?jī)?nèi)置高穩(wěn)晶振繼續(xù)提供高可靠性的時(shí)間和頻率信號(hào)輸出，使其輸出 頻率精確同步在GPS系統(tǒng)上，提供高精度的時(shí)間頻率基準(zhǔn)信號(hào)。為了能監(jiān)測(cè)更大區(qū)域內(nèi)閃電甚低頻輻射，本實(shí)用新型研制了 “寬帶高增益閃電低 中頻輻射接收機(jī)”，采用高集成精密放大器配以特殊的電路結(jié)構(gòu)使其具有很高的輸入阻抗， 并采用有源濾波濾除工頻干擾且保證了系統(tǒng)的增益帶寬。如附圖3所示由于系統(tǒng)有比較高的帶寬增益，為防止暴雨對(duì)系統(tǒng)的影響及帶電雨 滴造成的頻繁誤觸發(fā)，系統(tǒng)采用具有很寬波透率的玻璃鋼防護(hù)罩結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)采集分析處理系統(tǒng)在本實(shí)用新型中數(shù)據(jù)采集分析處理系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、高速數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成，前 述的GPS接收機(jī)為其提供絕對(duì)時(shí)間基準(zhǔn)，其中IOMHz信號(hào)作為采集卡采樣的外部時(shí)鐘。利 用電源(UPS)為整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源。采集卡本發(fā)實(shí)用新型采用的數(shù)據(jù)采集卡為數(shù)據(jù)采樣速率高達(dá)30MS/s ；具有12位AD轉(zhuǎn)換 精度；信道內(nèi)建32K先入先出法(FIFO)內(nèi)存，板卡數(shù)據(jù)采用DMA方式傳輸?shù)娇刂朴?jì)算機(jī)內(nèi) 存，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速采集及完整性。閃電數(shù)據(jù)高速傳輸如附圖4所示本發(fā)實(shí)用新型采用lOMS/s的采樣率對(duì)電場(chǎng)變化信號(hào)進(jìn)行采集，同時(shí) 還要與GPS時(shí)鐘綁定。在這種情況下數(shù)據(jù)傳輸量很大，僅用采集卡板載的FIFO，很難實(shí)現(xiàn)對(duì) 閃電波形無間隙連續(xù)捕獲。因此，本發(fā)實(shí)用新型在計(jì)算機(jī)機(jī)內(nèi)存中創(chuàng)建了一個(gè)較大的FIFO 緩存區(qū)，且把該緩存區(qū)分為兩段使用。板卡獲取的數(shù)據(jù)首先以直接存儲(chǔ)器存取(DMA)方式 傳輸?shù)皆摼彺鎱^(qū)(控制計(jì)算機(jī)內(nèi)存)，當(dāng)FIFO緩存區(qū)的任意段獲取數(shù)據(jù)完成后，其該段內(nèi)的 數(shù)據(jù)被一次性讀走，兩段緩存區(qū)交替實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)高速傳輸和處理。閃電波形無間隙連續(xù)捕獲如附圖5所示閃電快電場(chǎng)變化信號(hào)以10MSPS的采樣速率、12bit分辨率數(shù)字化，數(shù) 字化后的信號(hào)借助計(jì)算機(jī)總線連續(xù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)的內(nèi)存，同時(shí)連續(xù)5個(gè)樣點(diǎn)相加，對(duì)數(shù)據(jù) 進(jìn)行壓縮，信號(hào)采樣率從10MSPS減小到2MSPS，但同時(shí)分辨率提高。此后信號(hào)連續(xù)的與預(yù)先 設(shè)定的數(shù)值觸發(fā)閾值比較，當(dāng)一個(gè)采樣點(diǎn)被探測(cè)到大于這個(gè)閾值時(shí)，有一定前置觸發(fā)段和 后置觸發(fā)段的波形被存貯在計(jì)算機(jī)內(nèi)存中的32MB環(huán)形存儲(chǔ)器中，波形長(zhǎng)度設(shè)置為1ms，觸 發(fā)點(diǎn)前/后為300/700 μ s，相應(yīng)觸發(fā)記錄開始時(shí)刻標(biāo)記的時(shí)間信息被分別存儲(chǔ)在8MB的環(huán) 形存貯器內(nèi)。每2分鐘形成一個(gè)新的數(shù)據(jù)文件和頭文件，前者包含連續(xù)的被觸發(fā)的數(shù)據(jù)流， 后者包含相應(yīng)的事件時(shí)間信息。常規(guī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用硬件觸發(fā)系統(tǒng)，即通過比較傳感器輸出電壓和預(yù)先設(shè)定的 觸發(fā)電平實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)是為了避免在緩慢浮動(dòng)背景干擾誤觸發(fā)，觸發(fā)閾值不得不被設(shè)置到相對(duì)較高的電平，犧牲了傳感器的靈敏度。這些干擾通常是來自電網(wǎng)的60Hz背景干擾、附近 云或雷暴的“DC”電場(chǎng)，有時(shí)是傳感器的偏置。與常規(guī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用硬件觸發(fā)系統(tǒng)不 同，本實(shí)用新型采用的觸發(fā)系統(tǒng)完全是軟件設(shè)置的，可靈活執(zhí)行不同的觸發(fā)算法，克服了上 述的缺點(diǎn)。本實(shí)用新型的觸發(fā)器算法以2kHz數(shù)據(jù)流平均的方式，連續(xù)監(jiān)視低頻的非閃電的 干擾，設(shè)置成依賴于浮動(dòng)背景的雙極性觸發(fā)器。在高速數(shù)據(jù)采集中，另一個(gè)缺點(diǎn)是在每次觸發(fā)后必須有很長(zhǎng)時(shí)間的死時(shí)間 (IOms 30ms)，(主要是由于采集觸發(fā)后要傳數(shù)據(jù)、存盤，然后重新設(shè)置觸發(fā)等)。這歸因 于那時(shí)的計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)級(jí)的數(shù)字化技術(shù)。借助于從數(shù)字化儀到計(jì)算機(jī)存貯器連續(xù)數(shù)據(jù) 傳輸?shù)哪芰Γ浖?dòng)觸發(fā)算法，本研究中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)消除了連續(xù)觸發(fā)之間的死時(shí) 間，幾乎不受背景干擾制約。以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員來說，在不脫離本實(shí)用新型技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾，這些改 進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種甚低頻金閃電定位系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括至少四個(gè)閃電定位監(jiān)測(cè)站 點(diǎn)，所述閃電定位監(jiān)測(cè)站點(diǎn)內(nèi)設(shè)有甚低頻閃電輻射接收機(jī)、GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算 機(jī)，所述數(shù)據(jù)采集卡設(shè)置在所述計(jì)算機(jī)內(nèi)；所述甚低頻閃電輻射接收機(jī)與所述計(jì)算機(jī)相連， 用于探測(cè)閃電產(chǎn)生的瞬態(tài)電場(chǎng)變化，并將閃電瞬態(tài)電場(chǎng)變化信號(hào)傳送給所述計(jì)算機(jī)；所述 GPS接收機(jī)與所述計(jì)算機(jī)相連，用于采樣頻率校正，輸出準(zhǔn)確的頻率信號(hào)，同時(shí)也向系統(tǒng)提 供精確的時(shí)間基準(zhǔn)。
2.如權(quán)利要求1所述的甚低頻全閃電定位系統(tǒng)，其特征在于，所述甚低頻閃電輻射接 收機(jī)包括依次連接的接收天線、積分放大器、濾波器、驅(qū)動(dòng)輸出電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路及記 錄設(shè)備。
3.如權(quán)利要求2所述的甚低頻全閃電定位系統(tǒng)，其特征在于，計(jì)算機(jī)內(nèi)設(shè)有數(shù)據(jù)采集 卡及數(shù)據(jù)采集軟件。
4.如權(quán)利要求2所述的甚低頻全閃電定位系統(tǒng)，其特征在于，所述甚低頻閃電輻射接 收機(jī)設(shè)置在室外的玻璃鋼防護(hù)罩內(nèi)。
專利摘要本實(shí)用新型是一種甚低頻全閃電定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括至少四個(gè)閃電定位監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，所述閃電定位監(jiān)測(cè)站點(diǎn)內(nèi)設(shè)有甚低頻閃電輻射接收機(jī)、計(jì)算機(jī)、GPS時(shí)鐘模塊，所述站點(diǎn)連續(xù)無間隔捕獲閃電脈沖波形及其到達(dá)絕對(duì)時(shí)間，通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)各站點(diǎn)數(shù)據(jù)的傳輸，利用閃電電場(chǎng)變化輻射脈沖到達(dá)各站點(diǎn)的時(shí)間差，通過用于分析、處理所述脈沖的計(jì)算機(jī)軟件，對(duì)閃電放電事件進(jìn)行二維、三維定位，并識(shí)別放電類型。在上述硬件與軟件的配合下，該系統(tǒng)可用于確定區(qū)域內(nèi)發(fā)生閃電的數(shù)量、放電類型，以及閃電參數(shù)的統(tǒng)計(jì)特征，并能對(duì)雷電活動(dòng)進(jìn)行預(yù)警。
文檔編號(hào)G01W1/10GK201788276SQ20092017291
公開日2011年4月6日 申請(qǐng)日期2009年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月12日
發(fā)明者劉恒毅, 張義軍, 王濤, 董萬勝 申請(qǐng)人:中國氣象科學(xué)研究院