一種數(shù)字化閃電電場變化信號測量系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及氣象監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種數(shù)字化閃電電場變化信號測量 系統(tǒng)。
【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、強電磁輻射等特性，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)星往往可以 預(yù)測和監(jiān)測一個區(qū)域的閃電活動情況。然而這種監(jiān)測屬于廣域監(jiān)測，不能精確定位，實際意 義并不大。目前高精度的閃電測量和定位系統(tǒng)一般都采用抓取閃電產(chǎn)生過程的電磁波為手 段，來精確測量和定位閃電，這對研究閃電物理本質(zhì)和雷擊防護(hù)具有重要的意義。
[0003]目前，國內(nèi)外用來測量閃電電場變化的設(shè)備包括兩種：閃電電場快變化探測儀 (常常稱為快天線）和閃電電場慢變化探測儀（常常稱為慢天線）。兩者分別用來觀測閃電 過程中的不同尺度的放電事件。通常情況下，閃電電場快變化探測儀用來觀測閃電過程的 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，而電場慢變化信號探測儀主 要用來觀測閃電過程中的慢放電過程，如連續(xù)電流（持續(xù)時間可長達(dá)幾百毫秒）等。其探 測原理如下：外界電場的變化會通過天線轉(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)理之后輸出與電場變化成線性關(guān)系的電壓。閃電電場快變化探測儀和閃電電場慢 變化探測儀的區(qū)別在于積分時間常數(shù)的不同，一般閃電電場快變化探測儀的時間常數(shù)為毫 秒量級，閃電電場慢變化探測儀的時間常數(shù)為秒量級。
[0004] 雖然上述探測方法和手段已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，但是在實際觀測試驗中，特別是在近 距離閃電觀測時，比如人工觸發(fā)閃電的觀測，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的電場變化探測裝置，尤其是閃電電 場慢變化探測裝置，能夠測量的電場強度范圍不夠大，對于較強的近距離閃電經(jīng)常出現(xiàn)響 應(yīng)飽和的問題。為了解決這個問題，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)魪姸鹊囊蟆Ｉ暾執(zhí)枮?01220206637. 2的專利公開了 一種通過閃電變化快探測裝置還原閃電慢變化信號的裝置。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，這樣集成程度不高，且并沒有從根本上 解決閃電電場快慢電場天線統(tǒng)一的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本實用新型要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足之處，提供一種 數(shù)字化閃電電場變化信號測量系統(tǒng)，低成本高功效的實現(xiàn)閃電電場快、慢變化的測量。
[0006] 本實用新型為解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0007] -種數(shù)字化閃電電場變化信號測量系統(tǒng)，至少包括平板天線、電場模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、 數(shù)字信號處理模塊，所述電場模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的輸入端與平板天線連接，電場模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 的輸出端與數(shù)字信號處理模塊連接；
[0008] 所述平板天線用于探測（感應(yīng)）閃電產(chǎn)生的電場變化信號并傳輸至電場模數(shù)轉(zhuǎn)換 豐吳塊；
[0009] 所述電場模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊用于處理和轉(zhuǎn)換電場變化信號，得到數(shù)字化的閃電電場變 化信號，并將數(shù)字化的閃電電場變化信號傳輸至數(shù)字信號處理模塊；
[0010] 所述數(shù)字信號處理模塊用于觸發(fā)采集并處理所述數(shù)字化的閃電電場變化信號以 得到閃電電場快變化信號、閃電電場慢變化信號和閃電電場原始信號，并將上述信號進(jìn)行 存儲，組合成為數(shù)據(jù)幀和外界進(jìn)行通信。
[0011] 按上述方案，所述電場模數(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、差分芯片以及AD模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，其中，線性放大器的輸入端與平板天線連 接、用于將輸入信號進(jìn)行線性放大，電壓跟隨器用于進(jìn)行電壓跟隨，差分芯片用于對信號差 分并送入AD模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，AD模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片用于將模擬信號轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號并送入數(shù) 字信號處理模塊。
[0012] 按上述方案，所述數(shù)字信號處理模塊包括信號采入模塊、Fifio緩存模塊、祛直流 模塊、累加積分模塊、電場特性判據(jù)模塊、浮點轉(zhuǎn)換模塊、快積分模塊、慢積分模塊以及時鐘 對準(zhǔn)模塊，其中，信號采入模塊用于按照電場模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊中的AD模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的采樣速 率采集AD模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片送入的數(shù)字信號，F(xiàn)ifo緩存模塊用于緩存送入的數(shù)字信號、確定祛 直流的精準(zhǔn)度，祛直流模塊用于祛除信號的直流，浮點轉(zhuǎn)換模塊用于將輸入的定點信號轉(zhuǎn) 換為64位的雙精度浮點數(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原始信號、閃電電場快變化信號、閃電電場慢變化信 號，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)最最小；電場特性判據(jù)模塊用于對比閃電電場原始信號，閃電電場快變化信號和閃電 電場慢變化信號，判定當(dāng)前采入的電場變化信號是否滿足閃電的電場變化信號特征，如果 滿足，則通過時間對準(zhǔn)模塊進(jìn)行對準(zhǔn)。
[0013] 按上述方案，系統(tǒng)還包括存儲模塊，所述數(shù)字信號處理模塊還包括存儲驅(qū)動模塊， 所述存儲模塊與數(shù)字信號處理模塊的存儲驅(qū)動模塊連接，用于存儲包括閃電電場快變化 信號、閃電電場慢變化信號、閃電電場原始信號（通過存儲驅(qū)動模塊將數(shù)據(jù)寫入存儲模塊 中），并對上述信號通信做緩存（在傳輸這些信號時的緩存）。
[0014] 按上述方案，系統(tǒng)還包括通信傳輸接口，所述數(shù)字信號處理模塊還包括通信驅(qū)動 模塊，所述通信傳輸接口與數(shù)字信號處理模塊連接，用于物理上將抓取的閃電電場快變化 信號、閃電電場慢變化信號和閃電電場原始信號和上位機或者網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信（將數(shù)據(jù)通過 通信驅(qū)動模塊傳出）。
[0015] 按上述方案，系統(tǒng)還包括GPS模塊，GPS模塊由一個GPS芯片和對應(yīng)天線組成，用 于接收衛(wèi)星時鐘信號并將時鐘信號傳輸給數(shù)字信號處理模塊，給處理的閃電電場變化信號 做時鐘標(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，所述電場模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、 數(shù)字信號處理模塊均處于專用處理平臺上，所述專用處理平臺位于戶外屏蔽室內(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] 本實用新型還基于上述數(shù)字化閃電電場變化信號測量系統(tǒng)的測量方法，包括：
[0019] 步驟S1，通過平板天線感應(yīng)閃電產(chǎn)生的電場變化信號，電場模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對感應(yīng) 到的電場變化信號進(jìn)行調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字化的閃電電場變化信號；
[0020] 步驟S2,數(shù)字信號處理模塊對電場模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊傳入的數(shù)字化的閃電電場變化 信號進(jìn)行積分，包括：對輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存和格式轉(zhuǎn)換，對轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行不同積分常 數(shù)的數(shù)字積分，得到閃電電場原始信號、閃電電場快變化信號、閃電電場慢變化信號，并對 閃電電場原始信號、閃電電場快變化信號、閃電電場慢變化信號進(jìn)行判斷，如果具有閃電特 征，則通過存儲模塊進(jìn)行存儲或者通過通信傳輸接口與外界通信。
[0021] 測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)換芯片送入的信 號，按照時鐘模塊，將AD模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片送入的信號通過浮點轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行浮點轉(zhuǎn)換，然后 分成三條數(shù)據(jù)鏈通路，分別進(jìn)入快積分模塊、慢積分模塊和通過祛直流模塊后進(jìn)入累加積 分模塊，進(jìn)行積分常數(shù)不同的積分，通過祛直流模塊和累加積分模塊對天線感應(yīng)的閃電電 場變化信號進(jìn)行祛噪祛直流累加，得到閃電電場原始信號，通過快積分模塊、慢積分模塊對 天線感應(yīng)的閃電電場變化信號進(jìn)行積分，分別還原出閃電電場快變化信號和閃電電場慢變 化信號，并通過電場特性判據(jù)模塊對閃電電場原始信號、閃電電場快變化信號、閃電電場慢 變化信號（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)，通過時鐘對 準(zhǔn)模塊對有效數(shù)據(jù)進(jìn)行時間標(biāo)定，通過存儲驅(qū)動模塊將經(jīng)過時間標(biāo)定后的有效數(shù)據(jù)輸出至 存儲模塊中或通過通信驅(qū)動模