一种远距离雷电探测系统及方法与流程

本申请实施例涉及雷电探测与定位技术领域，特别涉及一种多脉冲闪电放电探测系统及方法。

背景技术

雷电一直受到人们的关注，其发生时会产生强电磁辐射和强电流，从而造成人员伤亡和财产损失。随着电子技术的快速发展，电子集成电路和电气设备对电磁脉冲的敏感程度越来越高，雷电所产生的危害也越来越大。由于雷电的发生有很强的随机性和瞬时性，需要进行大量的观测和监控。

近几十年来，国内外开展了多项关于雷电检测的研究工作，如李皖等研究了两种磁场环天线，对环天线的相应进行了仿真计算，确定了环天线的设计参数，选择了两种信号传输方式，设计了相应的前置信号处理电路，同时构建了lemp二维和三维磁场测量系统；周壁华等在lemp磁场的模拟环境中进行了时域标定和实验研究，采用由实测数据间接获得的雷电流波形、测点与放电通道的距离，经数值模拟后得出lemp磁场时间特性与实测结果一致性较好；殷启元等根据电磁感应法原理，自行研制了全相闪电磁场测量系统，经过实验室标定以及野外自然闪电观测实验，其结果证明了该套磁场测量系统在一定程度上能够可靠地揭示闪电放电物理过程。

然而，现有技术提供的检测手段探测距离有限，对于500km范围以外的雷电信号无法进行精确收集；另外，感应信号在传输过程中无法保证较高的完整性，导致影响测量结果，进而使结果分析失去意义。

技术实现要素：

本申请提供了一种远距离雷电探测系统及方法，已解决现有技术中其它检测方式探测距离短、精确性低、探测效率低等问题，并且本申请提供的探测系统及方法通过集成化的电路简化装置构成，使得感应到的电信号在传输过程中最大程度地被保留，提高测量准确性。

本申请提供了一种远距离雷电探测系统，所述探测系统包括依次连接的天线，差分放大电路，二级放大电路，高通滤波器，跟随器及信号输出器；其中，

所述天线由缠绕在磁芯上的多股环形磁感线圈组成；

所述环形磁感线圈的直径d介于30mm至40mm之间；

所述环形磁感线圈的相对磁导率μr大于500；

所述环形磁感线圈在所述磁芯上单层缠绕；

所述差分放大电路，用于对所述天线采集到的感应信号进行积分反馈处理；

所述二级放大电路，用于放大交流信号及缓慢变化信号；

所述高通滤波器，用于控制感应信号的频带；

所述跟随器，用于对感应信号进行缓冲处理；

所述信号输出器，用于将处理后的信号发送至信号采集系统。

可选的，所述差分放大电路和所述二级放大电路采用直接耦合方式连接。

可选的，所述差分放大电路包括第一集成运放，接地电阻和反馈电阻；所述第一集成运放的输入端通过所述接地电阻接地；所述第一集成运放的输出端通过所述反馈电阻接回所述第一集成运放的输入端。

可选的，所述反馈电阻与所述接地电阻的阻值在2kω至5kω之间。

可选的，所述高通滤波器包括第二集成运放和rc电路。

可选的，所述探测系统的测量带宽为10khz～800khz。

本申请还提供了一种远距离雷电探测方法，所述方法包括利用所述天线采集测量范围内雷电放电磁场分量的感应信号，并将感应信号传输至处理电路上；

所述处理电路将感应信号进行放大，滤波处理，并将处理结果由信号输出器输出。

可选的，所述处理电路将感应信号进行放大，滤波处理，并将处理结果由信号输出器输出包括：

采用差分放大电路模块对感应信号进行积分反馈处理；

采用二级放大电路模块放大交流信号及缓慢变化信号；

采用高通滤波器控制感应信号的频带；

采用电压跟随器对感应信号进行缓冲处理；

采用信号输出器将处理后的信号发送至信号采集系统。

由以上技术方案可知，本申请实施例提供了一种远距离雷电探测系统及方法，系统包括依次连接的天线，差分放大电路，二级放大电路，高通滤波器，跟随器及信号输出器；所述天线由缠绕在磁芯上的多股环形磁感线圈组成；所述环形磁感线圈的直径d介于30mm至40mm之间；所述环形磁感线圈的相对磁导率μr大于500；所述环形磁感线圈在所述磁芯上单层缠绕；方法包括利用所述天线采集测量范围内雷电放电磁场分量的感应信号，并将感应信号传输至处理电路上；所述处理电路将感应信号进行放大，滤波处理，并将处理结果由信号输出器输出。本申请提供的装置及方法通过设置大直径单层缠绕的磁感线圈构成的天线对雷电信号进行采集，并通过多级信号处理电路对感应信号进行处理、传输，使装置具有更远的测量距离，并且通过集成化的电路简化装置构成，使得感应到的电信号在传输过程中最大程度地被保留，提高测量准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一种远距离雷电探测系统的组成示意图；

图2为本申请一种远距离雷电探测系统中天线的结构示意图；

其中，10-天线，20-差分放大电路，30-二级放大电路，40-高通滤波器，50-跟随器，60-信号输出器。

具体实施方式

参见图1，为本申请一种远距离雷电探测系统的结构示意图；

参见图2，为本申请一种远距离雷电探测系统中天线的结构示意图；

由图1及图2可知，本申请实施例提供了一种远距离雷电探测系统，所述探测系统包括依次连接的天线10，差分放大电路20，二级放大电路30，高通滤波器40，跟随器50及信号输出器60；其中，

所述天线10由缠绕在磁芯上的多股环形磁感线圈组成；所述天线10利用法拉第电磁感应定律检测信号磁场分量的感应信号来实现对信号的检测和接收功能，并将接收到的信号传输到处理电路上，信号最终会传输到采集系统中进行处理和分析。

所述环形磁感线圈的直径d介于30mm至40mm之间；

所述环形磁感线圈的相对磁导率μr大于500；

所述环形磁感线圈在所述磁芯上单层缠绕。

进一步的，由于所述环形磁感线圈采用单层缠绕，设n1为线圈的匝数，a为每个线圈的面积，则当由磁力线通过环形天线时在天线两端产生的电压v可由下式表示：

在频域中假设

b(t)＝b0·e^j2πf·t＝b0·e^jω·t

则有

v＝-j·n1·a·ω·b0·e^jω·t

可得感应线圈的比例因子

|v/b|＝|v/b0|＝n1·a·ω

上述公式中，v表示电压，b表示频域磁感应强度，b0表示振幅，n1表示匝数，a表示线圈的面积大小，ω为角频率。

具有铁磁线圈的感应电压u为：

u＝-μ0·μr·n·a·dh/dt

由此可见，当式中相对磁导率μr大于500时，可使得感应电压较高，进而传感器的灵敏度高。

同时，铁氧体磁芯的有效磁导率μc＝μr/[1+n·(μr-1)]，当材料的磁导率相对较大时，μc由退磁因子n决定，即该系统的灵敏度主要取决于核心器件的几何形状。而退磁因子n可由下式表示：

式中，lc表示绕线圈的线长，dc表示线圈直径。

当lc＝300mm，dc＝10mm时，可以算出铁磁线圈的灵敏度比空气线圈大300倍。因此，从计算和制作天线经验方面来说，本实施例中采用直径d为。。。。区间的环形磁感线圈制成的天线可获得较大的灵敏度和分辨率。

由于所述天线10的本质是有磁芯的磁感线圈，因此具有固有的谐振频率，在并联谐振的等效电路中，线圈的内阻影响可以忽略，感应线圈的谐振频率f0主要由环路的电感l和电容c决定，即

本实施例中采用单层缠绕的磁感线圈，使线间分布电感电容均为相对较小值，有利于获得较大的谐振频率，进而获得较好的探测效果。

由以上技术方案可知，本申请实施例提供的一种远距离雷电探测系统基于法拉第电磁感应定律，考虑了磁芯材料的磁导率、绕制方式、匝数等因素，进一步提高了磁场测量装置的性能。

所述差分放大电路，用于对所述天线采集到的感应信号进行积分反馈处理；

进一步的，所述差分放大电路包括第一集成运放，接地电阻和反馈电阻；所述第一集成运放的输入端通过所述接地电阻接地；所述第一集成运放的输出端通过所述反馈电阻接回所述第一集成运放的输入端。

可选的，所述反馈电阻与所述接地电阻的阻值在2kω至5kω之间。可保证运放的两个输入端对地的电阻平衡，同时避免降低共模抑制比，最大化减少信号的衰减。

所述二级放大电路，用于放大交流信号及缓慢变化信号；由于二级放大电路的总增益等于两部分电路增益的乘积，本实施例中的系统运行前，需分配好两级的增益，避免出现一部分过大或过小的情况；通常来说，前一级电路优选小功率低噪声管，静态工作点尽量调小，便于提高噪声特性，一般来说，前一级的噪声决定了整个二级放大电路的噪声。

进一步的，所述差分放大电路和所述二级放大电路采用直接耦合方式连接。既能放大交流信号，又能放大缓慢变化信号，更重要的是直接耦合方式便于实现集成化，达到简化系统装置的目的。

所述高通滤波器，用于控制感应信号的频带；

进一步的，所述高通滤波器包括第二集成运放和rc电路。使高通滤波器的电压放大倍数高且带负载能力强，更好地控制输入电磁波信号的频带。

所述跟随器，用于对感应信号进行缓冲处理，进一步提高带负载能力；由于前级电路要跟随的电压放大器的输出电阻较高，如果后一级的输入电阻较小，信号就会有相当一部分损耗在前级的输出电阻中，将大大影响探测结果；本实施例中采用的电压跟随器正好具备输入电阻高、输出电阻低的特点，通过跟随器进行缓冲，起到承上启下的作用。

所述信号输出器，用于将处理后的信号发送至信号采集系统。所述差分放大电路、二级放大电路、高通滤波器及跟随器将所述天线采集到的磁信号最终转化成电压信号，并由所述信号输出器发送至信号采集系统中准确地记录下来。

可选的，所述探测系统的测量带宽为10khz～800khz。使系统可对于较宽频率范围的磁信号进行收集处理，使探测结果更完整。

由以上技术方案可知，本申请实施例提供了一种远距离雷电探测系统，包括依次连接的天线，差分放大电路，二级放大电路，高通滤波器，跟随器及信号输出器；所述天线由缠绕在磁芯上的多股环形磁感线圈组成；所述环形磁感线圈的直径d介于30mm至40mm之间；所述环形磁感线圈的相对磁导率μr大于500；所述环形磁感线圈在所述磁芯上单层缠绕，所述差分放大电路，用于对所述天线采集到的感应信号进行积分反馈处理；所述二级放大电路，用于放大交流信号及缓慢变化信号；所述高通滤波器，用于控制感应信号的频带；所述跟随器，用于对感应信号进行缓冲处理；所述信号输出器，用于将处理后的信号发送至信号采集系统。本申请提供的系统通过设置大直径单层缠绕的磁感线圈构成的天线对雷电信号进行采集，并通过多级信号处理电路对感应信号进行处理、传输，使装置具有更远的测量距离，并且通过集成化的电路简化装置构成，使得感应到的电信号在传输过程中最大程度地被保留，提高测量准确性。

本申请还提供了一种远距离雷电探测方法，所述方法包括：

s10：利用所述天线采集测量范围内雷电放电磁场分量的感应信号，并将感应信号传输至处理电路上；

s20：所述处理电路将感应信号进行放大，滤波处理，并将处理结果由信号输出器输出。

进一步的，所述处理电路将感应信号进行放大，滤波处理，并将处理结果由信号输出器输出包括：

s21：采用差分放大电路模块对感应信号进行积分反馈处理；

s22：采用二级放大电路模块放大交流信号及缓慢变化信号；

s23：采用高通滤波器控制感应信号的频带；

s24：采用电压跟随器对感应信号进行缓冲处理；

s25：采用信号输出器将处理后的信号发送至信号采集系统。

由以上技术方案可知，本申请提供的一种远距离雷电探测方法通过设置大直径单层缠绕的磁感线圈构成的天线对雷电信号进行采集，并通过多级信号处理电路对感应信号进行处理、传输，使装置具有更远的测量距离，并且通过集成化的电路简化装置构成，使得感应到的电信号在传输过程中最大程度地被保留，提高测量准确性。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。