专利名称：闪电电场变化信号测量系统及方法
技术领域：
本发明涉及气象监测技术领域，特别涉及一种闪电电场变化信号测量系统及方法。
背景技术：
闪电是我国最严重的自然灾害之一，由于其具有大电流、强电磁辐射等特性，常常 引起森林火灾、油库爆炸、供电中断、通讯故障、设备破坏等事故，也容易造成人员伤亡。据保守估计，我国每年因雷灾造成的人员伤亡上千人，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，闪电灾害已经波及到各行各业和生活的方方面面。闪电作为一种长距离放电现象，能够产生较强的电磁辐射，每次闪电放电都包含各种频率的放电子过程，在电场波形特征上表现出不同形式的脉冲，通过对这些电场变化脉冲的观测研究，揭示了闪电放电的基本物理过程。同时，闪电电场变化波形也是阐明闪电电磁辐射对电子设备的作用机理、评价防护效能、研究闪电电磁脉冲防护措施的重要基础。因此，闪电电场变化信号探测一直是雷电物理和雷电防护研究的重要工具。长期以来，国内外用来测量闪电电场变化的设备包括两种闪电电场快变化探测仪(常常称为快天线)和闪电电场慢变化探测仪(常常称为慢天线)。两者分别用来观测闪电过程中的不同尺度的放电事件。通常情况下，闪电电场快变化探测仪用来观测闪电过程的快放电过程，比如预击穿过程、回击过程、先导过程、K过程等，而电场慢变化信号探测仪主要用来观测闪电过程中的慢放电过程，如连续电流(持续时间可长达几百毫秒)等。其探测原理如下金属感应板在外界电场的作用下会产生感应电荷，当闪电发生时会引起空间电场变化时,空间电场的变化会导致金属板上的感应电荷随之变化，因感应电荷变化而产生的电流将会流过积分电路，经积分调理之后输出与电场变化成线性关系的电压。闪电电场快变化探测仪和闪电电场慢变化探测仪的区别在于积分时间常数的不同，一般闪电电场快变化探测仪的时间常数为毫秒量级，闪电电场慢变化探测仪的时间常数为秒量级。虽然上述探测方法和手段已经被广泛应用，但是在实际观测试验中，特别是在近距离闪电观测时，比如人工触发闪电的观测，发现传统的电场变化探测装置，尤其是闪电电场慢变化探测装置，能够测量的电场强度范围不够大，对于较强的近距离闪电经常出现响应饱和的问题。为了解决这个问题，科研人员也采取了一些相应的措施，主要手段为调节积分电路中R(电阻)和C(电容)的量值入手，但是由于当前的器件技术水平的局限，一些相应措施也很难达到近距离闪电回击强度的要求。而且闪电电场快变化信号和慢变化信号分别采用不同的设备测量，集成化程度不高。
发明内容
(一 )要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是如何实现闪电电场快、慢变化的集成化测量。( 二 )技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供了一种闪电电场变化信号测量系统，包括探测天线、电场快变化接收机、信号处理模块，所述电场快变化接收机分别连接所述探测天线和所述信号处理模块；所述探测天线用于将感应到的闪电产生的电场变化信号传输至所述电场快变化接收机；所述电场快变化接收机用于处理所述电场变化信号，以得到闪电电场快变化信号，并将所述闪电电场快变化信号传输至所述信号处理模块；所述信号处理模块用于触发采集并处理所述闪电电场快变化信号以得到闪电电场慢变化信号。其中，所述信号处理模块包括数字化仪和数字处理器，所述数字化仪分别连接所 述数字处理器和所述电场快变化接收机，用于将接收到的所述闪电电场快变化信号数字化后传输至所述数字处理器，所述数字处理器对数字化后的闪电电场快变化信号进行解卷积数字信号处理并得到所述闪电电场慢变化信号。其中，还包括GPS天线和GPS接收机，所述GPS天线连接所述GPS接收机，所述GPS接收机连接所述信号处理模块，所述GPS天线接收GPS卫星信号并传输至所述GPS接收机，所述信号处理模块在处理所述闪电电场快变化信号的同时触发所述GPS接收机输出闪电发生时的时间信息。其中，还包括存储模块，连接所述数字处理器和GPS接收机，用于存储包括闪电电场快变化信号、闪电电场慢变化信号和闪电发生时的时间信息。其中，还包括面向仪器系统的专用处理平台，所述数字化仪、数字处理器、GPS接收机和存储模块集成在所述面向仪器系统的专用处理平台上。其中，所述探测天线为形状为中空的环形平板天线，所述GPS天线为蘑菇头式天线，感应信号的头部位于所述环形平板天线的平板面上，尾部位于所述环形平板天线的环形孔中。其中，还包括绝缘子、屏蔽仓室及支撑架，所述绝缘子连接所述探测天线和所述屏蔽仓室，所述电场快变化接收机位于所述屏蔽仓室内，所述支撑架连接屏蔽仓室，用于支撑所述探测天线、绝缘子及屏蔽仓室。本发明还提供了一种闪电电场变化信号测量方法，包括以下步骤SI :感应闪电产生的电场变化信号，对电场变化信号进行调理积分后获得闪电电场快变化信号；S2 :对闪电电场快变化信号处理得到闪电电场慢变化信号。其中,所述步骤S2具体包括S2. I :判断闪电电场快变化信号是否满足预设的触发条件；S2. 2 :对满足预设的触发条件的闪电电场快变化信号进行解卷积数字信号处理得到闪电电场慢变化信号。其中，还包括获取闪电发生时的GPS时间信息。(三)有益效果本发明的闪电电场变化测量系统和方法，通过电场快变化接收机获取闪电电场快变化信号，并对闪电电场快变化信号处理得到闪电电场慢变化信号，实现了对闪电电场快、慢变化信号的集成化测量，有效解决了近距离闪电信号过强导致的闪电电场慢变化探测输出饱和的问题。
图I是本发明实施例的一种闪电电场变化测量系统结构示意图；图2是图I中电场快变化接收机的结构示意图；图3是采用传统的电场快/慢变化探测仪获得的电场快慢变化信号和对电场快变化信号解卷积后的输出信号波形对比图；图4是本发明实施例的一种闪电电场变化测量方法流程图；
图5是图I所示的系统工作流程图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。如图I所示，本实施例的闪电电场变化测量系统包括用于探测闪电产生的电场变化信号的平板天线I、电场快变化接收机5和信号处理模块，电场快变化接收机5分别连接平板天线I和信号处理模块。平板天线将感应到的闪电产生的电场变化信号传输至电场快变化接收机5，电场快变化接收机5对闪电产生的电场变化信号进行处理，即经过信号调理积分后获得闪电电场快变化信号，并将闪电电场快变化信号传输至信号处理模块；信号处理模块触发采集并处理闪电电场快变化信号以得到闪电电场慢变化信号。电场快变化接收机5为积分调理电路，主要作用是将输入信号经过转换得到闪电电场快变化信号，其原理图如图2所不,包括积分放大器51、信号滤波器52、驱动输出53、阻抗匹配54等部分，时间常数为ms或百微秒量级，带宽为IK 5MHz ;其中积分电路可以采用有源积分或者无源积分。所接收的信号为平板天线I的感应信号，信号经积分调理后输送给信号处理模块。本实施例中信号处理模块包括数字化仪8和数字处理器9 (可以是FPGA或者CPLD编程数字处理器)，数字化仪8和数字处理器9连接。数字化仪8也称为数据采集卡，能够实现将积分调理电路输出的闪电电场快变化信号(模拟信号)转换成数字信号，同时传输数字信号至数字处理器9，数字处理器9将数字化后的闪电电场快变化信号进行解卷积处理，获得平板天线I探测得到的原始信号。解卷积获得的原始信号为包括闪电电场慢变化信号的一个宽带信号，也包含闪电电场快变化信号，但是，闪电电场慢变化信号体现的比较明显，一般现阶段的闪电电场慢变化测量仪也是测量的这个宽带信号，本发明的闪电电场慢变化信号指的是这个宽带信号。当然，为了直接获得闪电电场慢变化信号，可以使用电场慢变化接收机(一种积分调理电路)，由于闪电电场慢变化信号的长时间积分(积分常数一般取秒量级)，会使输出的电压超过电子元器件的要求。为此，本发明通过闪电电场快变化信号经过数字信号处理获得电场慢变化信号，方法如下经过电场快变化接收机调理积分后的电场变化输出信号的低频成份被抑制，具有较小的输出信号幅度，能够可靠测量。如果知道积分调理电路如何改变输入信号的方法(一般用传递函数来表示)，那么就能够还原原始信号。具体如下
经过积分调理前由平板天线输入的信号E，经过信号调理积分电路后的输出信号为U，如果信号调理积分电路的传递函数为H，则时域的输入输出关系为，U(t)=E(t)*H(t)，其中U(t)为直接用数字化仪采集的模拟信号，表示卷积运算。对U(t)=E(t)*H(t)进行解卷积运算，H(t)和U(t)为能够测得的参量，通过解卷积运算获得原始输入信号E(t)。电场快变化接收机输出的信号U(t)具有较小的幅度，通常在积分常数为
0.Ims时，对近距离闪电的输出电压为10伏以内，不会出现饱和问题。图3示出了采用传统的电场快慢变化探测仪获得的电场快慢变化信号和对电场快变化信号解卷积后的输出信号，可以看出，传统方式实测的闪电电场慢变化信号已经饱和，通过对闪电电场快变化信号解卷积得到了包含闪电电场慢变化信息的信号，该信号在慢变化部分与传统方式实测的闪电电场慢变化信号具有一致性，而且不会出现闪电电场慢变化信号饱和问题。本实施例通过电场快变化接收机获取闪电电场快变化信号，并对闪电电场快变化信号处理得到闪电电场慢变化信号，实现了对闪电电场快、慢变化的集成化测量。采用对闪 电电场快变化信号解卷积的方式，避免了传统的闪电电场慢变化探测仪测量的电场强度范围不够大而导致的对于较强的近距离闪电经常出现响应饱和的问题，从而实现了高强度近距离闪电电场变化信号的可靠探测。进一步地，还包括GPS天线2、GPS接收机11、存储模块10，GPS接收机11、存储模块10、数字化仪8和数字处理器9，通过面向仪器系统的专用处理平台集成在一起，该专用扩展平台包括PCI、PXI或PCIE等平台，本实施例中采用PXI平台12将GPS接收机11、存储模块10、数字化仪8和数字处理器9集成在一起，PXI平台12是为工业数据采集与自动化应用量身定制的模块化仪器平台，具有时间总线。GPS天线2连接GPS接收机11，GPS接收机11和数字处理器9均连接存储模块10。GPS天线2用于获取GPS卫星信号，并将该GPS卫星信号传输至GPS接收机11。数字化仪8在将闪电电场快变化信号数字化后传输给数字处理器9。GPS接收机11连接数字处理器9，数字处理器9判断触发条件，若闪电电场快变化信号(即电场快变化接收机输出的信号U(t))超过了设定的触发阈值或其他触发条件(如设置信号幅度超过0. 5V，且上升沿触发)，就触发GPS接收机11输出时间信息；*GPS接收机11连接数字化仪8，数字化仪8判断触发条件，在满足触发条件的情况下，传输闪电电场快变化信号给数字处理器9的同时触发GPS接收机11输出时间信息。本实施例中的GPS接收机为PXI总线式接收机。存储模块10用于存储包括闪电电场快变化信号、闪电电场慢变化信号、测站空间位置信息和闪电发生时的精确时间信息。进一步地，平板天线I采用金属平板为感应介质，其上面的感应电荷能够随空间电场的变化而改变，用来探测闪电发生时空间电场的变化信号，设计形状为中空的环形平板，中空部分用来安装GPS天线2 ;GPS天线为采用绝缘材料封装的蘑菇头式天线，能够探测GPS卫星的发射信号，其下端置于平板天线I的中空部分，并进行密封以防止雨水流入，为了防止金属平板对信号的屏蔽作用，GPS天线2的感应部分处于平板天线I的金属平板水平面以上，形成平板天线I和GPS天线2的集成天线。该集成天线采用同轴线缆输出信号，其中平板天线I直接将信号传输给电场快变化接收机5，GPS天线2将信号传输给GPS接收机11。进一步地，还包括绝缘子3、屏蔽仓室4、支撑杆6和支撑底座7。绝缘子3为复合材料的高压绝缘子(额定绝缘电压50kV)，其几何构造为中空结构，用来将集成天线和地之间绝缘，同时起到支撑集成天线的作用，其中空部分用来通过集成天线的同轴信号传输线；绝缘子上下两端分别和集成天线和屏蔽仓室4相连。其中屏蔽仓室4，采用金属材料制作，用来放置电场快变化接收机5，能够有效屏蔽空间电磁场的干扰，同时起到屏蔽和支撑的作用，其下部与支撑杆6相连。其中支撑杆6和支撑底座7，采用不锈钢材料制作，其中支撑杆6为中空结构，上部与屏蔽仓室4相连，下部与支撑底座7相连，支撑屏蔽仓室4和用于通过传输信号的同轴线；支撑底座7上面加工有固定孔，上部同支撑杆6相连，用于在架设(或布设时)将系统固定。 本发明还提供了一种利用上述闪电电场变化测量系统来测量闪电电场变化的方法,如图4所示包括步骤S401，通过平板天线I感应闪电产生的电场变化信号，电场快变化接收机5对电场变化信号进行调理积分后获得闪电电场快变化信号。平板天线I具有大的带宽，能够探测闪电电场快慢变化信号。步骤S402，信号处理模块对闪电电场快变化信号进行解卷积数字信号处理得到闪电电场慢变化信号。具体包括为了排除非闪电电磁信号的干扰，判断闪电电场快变化信号是否满足预设的触发条件(如设置上升沿触发且信号幅度超过0. 5V)，对满足预设的触发条件的闪电电场快变化信号进行解卷积数字信号处理得到闪电电场慢变化信号。在测量时，还包括通过GPS天线2探测测量地点的GPS卫星信号，在获得闪电电场快变化信号之后通过GPS接收机11输出时间信息。上述闪电电场变化测量系统的一种具体控制流程如图5所示，系统开始工作后，没有闪电发生时，处于等待触发状态，信号处理模块不断将模拟信号转换成数字信号；当闪电发生时，若闪电电场快变化信号超过了设定的触发阈值(或其他触发条件)，则进行解卷积处理，同时输出触发信号给GPS接收机11，GPS接收机11在收到触发信号后输出时间信息给PXI平台12 ;信号处理模块对数字化后的快电场数据进行解卷积数字信号处理、获得包含闪电电场慢变化信息的原始信号后将电场慢变化数据和电场快变化数据输出到存储模块进行保存，并将GPS输出的精确时间其作为数据文件名，以方便记录和查询。以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
权利要求
1.一种闪电电场变化信号測量系统，其特征在于，包括探测天线、电场快变化接收机、信号处理模块，所述电场快变化接收机分别连接所述探测天线和所述信号处理模块； 所述探测天线用于将感应到的闪电产生的电场变化信号传输至所述电场快变化接收机； 所述电场快变化接收机用于处理所述电场变化信号，以得到闪电电场快变化信号，并将所述闪电电场快变化信号传输至所述信号处理模块； 所述信号处理模块用于触发采集并处理所述闪电电场快变化信号以得到闪电电场慢变化信号。
2.如权利要求I所述的闪电电场变化信号測量系统，其特征在于，所述信号处理模块包括数字化仪和数字处理器，所述数字化仪分别连接所述数字处理器和所述电场快变化接收机，用于将接收到的所述闪电电场快变化信号数字化后传输至所述数字处理器，所述数字处理器对数字化后的闪电电场快变化信号进行解卷积数字信号处理并得到所述闪电电场慢变化信号。
3.如权利要求2所述的闪电电场变化信号測量系统，其特征在于，还包括GPS天线和GPS接收机，所述GPS天线连接所述GPS接收机，所述GPS接收机连接所述信号处理模块，所述GPS天线接收GPS卫星信号并传输至所述GPS接收机，所述信号处理模块在处理所述闪电电场快变化信号的同时触发所述GPS接收机输出闪电发生时的时间信息。
4.如权利要求3所述的闪电电场变化信号測量系统，其特征在于，还包括存储模块，连接所述数字处理器和GPS接收机，用于存储包括闪电电场快变化信号、闪电电场慢变化信号和闪电发生时的时间信息。
5.如权利要求4所述的闪电电场变化信号測量系统，其特征在于，还包括面向仪器系统的专用处理平台，所述数字化仪、数字处理器、GPS接收机和存储模块集成在所述面向仪器系统的专用处理平台上。
6.如权利要求3所述的闪电电场变化信号測量系统，其特征在于，所述探测天线为形状为中空的环形平板天线，所述GPS天线为蘑菇头式天线，感应信号的头部位于所述环形平板天线的平板面上，尾部位于所述环形平板天线的环形孔中。
7.如权利要求I所述的闪电电场变化信号測量系统，其特征在于，还包括绝缘子、屏蔽仓室及支撑架，所述绝缘子连接所述探测天线和所述屏蔽仓室，所述电场快变化接收机位于所述屏蔽仓室内，所述支撑架连接屏蔽仓室，用干支撑所述探测天线、绝缘子及屏蔽仓室。
8.一种闪电电场变化信号測量方法，其特征在于，包括以下步骤 51:感应闪电产生的电场变化信号，对电场变化信号进行调理积分后获得闪电电场快变化信号； 52:对闪电电场快变化信号处理得到闪电电场慢变化信号。
9.如权利要求8所述的闪电电场变化信号測量方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括 S2. I :判断闪电电场快变化信号的是否满足预设的触发条件； S2.2 :对满足预设的触发条件的闪电电场快变化信号进行解卷积数字信号处理得到闪电电场慢变化信号。
10.如权利要求8或9所述的闪电电场变化信号測量方法，其特征在于，还包括获取闪电发生时的GPS时间信息。
全文摘要
本发明公开了一种闪电电场变化信号测量系统，涉及气象监测技术领域，包括探测天线、电场快变化接收机、信号处理模块，所述电场快变化接收机分别连接所述探测天线和所述信号处理模块；所述探测天线用于将感应到的闪电产生的电场变化信号传输至所述电场快变化接收机；所述电场快变化接收机用于处理所述电场变化信号，以得到闪电电场快变化信号，并将所述闪电电场快变化信号传输至所述信号处理模块；所述信号处理模块用于采集并处理所述闪电电场快变化信号以得到闪电电场慢变化信号；本发明还公开了一种与上述测量系统相对应的闪电电场变化信号测量方法。本发明的系统和方法实现了闪电电场快、慢变化信号的集成化测量。
文档编号G01R29/08GK102680804SQ20121014357
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月9日 优先权日2012年5月9日
发明者吕伟涛, 张义军, 张阳 申请人:中国气象科学研究院