一种目标闪电电场变化信号采集系统及方法
【专利摘要】本发明实施例公开了一种目标闪电电场变化信号采集系统及方法。该系统包括天线阵列、下变频模块和采集器；下变频模块分别连接天线阵列和采集器；天线阵列，用于将感应到的目标闪电产生的预设频率范围内的电场变化信号传输至下变频模块；采集器，用于在接收到外部输入的启动采集指令时，生成第一控制指令，并将控制指令发送至下变频模块，以使下变频模块根据第一控制指令对接收到的电场变化信号进行降频处理；采集并存储降频处理后的电场变化信号。本发明实施例基于可调频的下变频模块，使得系统可以使用有限的采用率即可在超宽频段内获取闪电电磁辐射信号，与现有技术相比，具有频率观测范围大、抗环境电磁干扰能力强的优点。
【专利说明】
一种目标闪电电场变化信号采集系统及方法
技术领域
[0001]本发明实施例涉及气象监测技术领域，具体涉及一种目标闪电电场变化信号采集系统及方法。
【背景技术】
[0002]闪电是自然界中的一种超强放电现象，伴随着瞬间强电流和宽频带强电磁辐射，常引起重大的灾害事故，造成人员和财产的损失。因此对闪电的研究的意义不仅在于扩展了人类对自然现象及其内在物理规律的认识，也有助于减少相关灾害对人类社会生活带来的损失。闪电放电本身是一个超强的宽带辐射源，这意味着它能在很宽的频率范围内对电磁设备造成干扰。认识闪电在各个频段的电磁辐射特征有助于防雷技术的发展。而且，闪电电磁辐射和闪电放电过程发展特征是闪电研究中非常重要的两个方面。而这两个研究方向也都需要根据研究内容的不同对特定频段的闪电电磁信号进行采集和处理。
[0003]现有的闪电电磁辐射观测设备大多使用采集卡或示波器记录直接对天线或其他传感器获取的闪电信号进行数字化采集。这种观测方式所能达到的观测频率范围主要取决于采集设备的最高采样率，为了获取大的频率观测范围往往必须在垂直分辨率和采样长度方面做出妥协，同时一味地增加采样率也会使得观测受到更多干扰源的影响也难以实现数据的连续完整记录。也有一些闪电定位设备使用接收机将较高频率的闪电信号检波后使用。这些设备中采集装置的观测频率通常为固定值或处于一个非常小的频率范围，而且观测带宽往往也都为窄带。随着科技的发展，人们使用的电磁信号频段已经逐渐拓宽，而为了弄清闪电这种宽带辐射源在更广频率范围的电磁辐射特性需要一套能再多频段观测可行的采集装置。
【发明内容】
[0004]本发明实施例的一个目的是解决现有技术无法在保证同时满足大范围观测频率和高抗干扰能力的要求。
[0005]本发明实施例提出了一种目标闪电电场变化信号采集系统，包括:天线阵列、下变频模块和采集器；
[0006]所述下变频模块分别连接所述天线阵列和所述采集器；
[0007]所述天线阵列，用于将感应到的目标闪电产生的第一预设频率范围内的电场变化信号传输至所述下变频模块；
[0008]所述采集器，用于在接收到外部输入的启动采集指令时，生成第一控制指令，并将控制指令发送至所述下变频模块，以使所述下变频模块根据所述第一控制指令对接收到的电场变化信号进行降频处理;采集并存储降频处理后的电场变化信号。
[0009]优选地，所述采集器包括:第一采集卡和控制器；
[0010]所述第一采集卡，用于根据第一预设采样率采集所述下变频模块的降频处理后的电场变化信号，并将采集到的电场变化信号发送至控制器；[0011 ]所述控制器，用于对所述下变频模块和所述第一采集卡进行运行控制；并对接收到的第一预设频率范围内的电场变化信号进行存储。
[0012]优选地，还包括:电场变化传感器组；
[0013]所述电场变化传感器组，用于将感应到的所述目标闪电产生的第二预设频率范围内的电场变化信号传输至所述控制器；
[0014]相应地，所述控制器，还用于对接收到的第二预设频率范围内的电场变化信号进行波形分析，以识别闪电放电的类型。
[0015]优选地，所述采集器还包括:第二采集卡；
[0016]所述第二采集卡，用于根据第二预设采样率采集所述电场变化传感器组输出的电场变化信号，并将采集获得的电场变化信号传输至控制器。
[0017]优选地，所述下变频模块包括:接收机组和时钟源；
[0018]所述接收机组分别连接所述天线阵列和所述第一采集卡;所述时钟源分别连接所述接收机组和所述第一采集卡；
[0019]所述接收机组，用于接收所述天线阵列传输的电场变化信号，并对接收到的电场变化信号进行降频处理；
[0020]所述时钟源，用于根据接收到的卫星时间信息生成时钟信号，并将时钟信号传输至所述接收机组和所述第一采集卡，以使所述接收机组和所述第一采集卡对获取的信号进行时钟标定。
[0021 ]优选地，所述接收机组包括:多个接收机；
[0022]所述多个接收机，用于在相干信号采集模式下，采用相同的接收频率对接收到的电场变化信号进行信号转换，以实现降频；
[0023]或者，在多频点同步采集模式下，采用各自的中心频率对接收到的电场变化信号进行信号转换，以实现降频。
[0024]优选地，还包括:GPS天线和GPS接收机；
[0025]所述GPS接收机分别连接所述GPS天线和所述控制器；
[0026]所述GPS天线，用于接收相应卫星发送的卫星信号，并将所述卫星信号传输至所述GPS接收机；
[0027]所述GPS接收机，用于根据接收到的卫星信号向所述时钟源和所述控制器提供卫星时间信息。
[0028]优选地，所述第一采集卡和所述第二采集卡通过总线与所述控制器连接。
[0029]本发明还提出了一种基于上述系统的目标闪电电场变化信号采集方法，包括:
[0030]通过所述天线阵列将感应到的目标闪电产生的电场变化信号传输至所述下变频丰旲块;
[0031]采集器在在接收到外部输入的启动采集指令时，生成第一控制指令，并将控制指令发送至所述下变频模块；
[0032]由所述下变频模块根据所述第一控制指令对接收到的电场变化信号进行降频处理，并将降频处理后的电场变化信号传输至所述采集器；
[0033]所述采集器采集并存储接收到的电场变化信号。
[0034]优选地，所述由所述下变频模块根据所述第一控制指令对接收到的电场变化信号进行降频处理的步骤具体包括:
[0035]在相干信号采集模式下，采用相同的接收频率对接收到的电场变化信号进行信号转换，以实现降频；
[0036]或者，在多频点同步采集模式下，采用各自的中心频率对接收到的电场变化信号进行信号转换，以实现降频。
[0037]由上述技术方案可知，本发明实施例提出的目标闪电电场变化信号采集系统及方法基于可调频的下变频模块，使得系统可以使用有限的采用率即可在超宽频段内获取闪电电磁辐射信号，利用基于闪电地面电场变化信号的闪电识别技术可以专门针对闪电进行观测，通过调节接收机的观测中心频率回避环境中的电磁干扰与现有技术相比，具有频率观测范围大、抗环境电磁干扰能力强的优点。
【附图说明】
[0038]通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中:
[0039]图1示出了本发明一实施例提供的一种目标闪电电场变化信号采集系统的结构示意图；
[0040]图2示出了本发明一实施例提供的一种目标闪电电场变化信号采集系统中控制器的工作流程图；
[0041]图3示出了本发明一实施例提供的一种基于上述目标闪电电场变化信号采集系统的目标闪电电场变化信号采集方法的流程示意图。
【具体实施方式】
[0042]为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0043]图1示出了本发明一实施例提供的一种目标闪电电场变化信号采集系统的结构示意图，参见图1，该系统包括:
[0044]天线阵列、下变频模块和采集器；
[0045]所述下变频模块分别连接所述天线阵列和所述采集器；
[0046]所述天线阵列，用于将感应到的目标闪电产生的第一预设频率范围内的电场变化信号传输至所述下变频模块;此处的第一预设频率范围优选为30MHz以上，具体数值视情况而定。
[0047]所述采集器，用于在接收到外部输入的启动采集指令时，生成第一控制指令，并将控制指令发送至所述下变频模块，以使所述下变频模块根据所述第一控制指令对接收到的电场变化信号进行降频处理;采集并存储降频处理后的电场变化信号。
[0048]本发明实施例基于可调频的下变频模块，使得系统可以使用有限的采用率即可在超宽频段内获取闪电电磁辐射信号，与现有技术相比，具有频率观测范围大、抗环境电磁干扰能力强的优点。
[0049]参见图1，本实施例中，采集器包括:第一采集卡和控制器；
[0050]所述第一采集卡，用于根据第一预设采样率采集所述下变频模块的降频处理后的电场变化信号，并将采集到的电场变化信号发送至控制器；
[0051 ]所述控制器，用于对所述下变频模块和所述第一采集卡进行运行控制；并对接收到的第一预设频率范围内的电场变化信号进行存储。
[0052]参见图1，本实施例中，还包括:电场变化传感器组；
[0053]所述电场变化传感器组，用于将感应到的所述目标闪电产生的第二预设频率范围内的电场变化信号传输至所述控制器;此处的第二预设频率范围与上述第一预设频率范围相对应，分别对应高频频率范围和对应低频频率范围，具体数值视情况而定。相应地，所述控制器，还用于对接收到的第二预设频率范围内的电场变化信号进行波形分析，以识别闪电放电的类型。
[0054]参见图1，本实施例中，所述采集器还包括:第二采集卡；
[0055]所述第二采集卡，用于根据第二预设采样率采集所述电场变化传感器组输出的电场变化信号，并将采集获得的电场变化信号传输至控制器。
[0056]参见图1，本实施例中，所述下变频模块包括:接收机组和时钟源；
[0057]所述接收机组分别连接所述天线阵列和所述第一采集卡;所述时钟源分别连接所述接收机组和所述第一采集卡；
[0058]所述接收机组，用于接收所述天线阵列传输的电场变化信号，并对接收到的电场变化信号进行降频处理；
[0059]所述时钟源，用于根据接收到的卫星时间信息生成时钟信号，并将时钟信号传输至所述接收机组和所述第一采集卡，以使所述接收机组和所述第一采集卡对获取的信号进行时钟标定。
[0060]参见图1，本实施例中，所述接收机组包括:多个接收机；
[0061 ]所述多个接收机，用于在相干信号采集模式下，采用相同的接收频率对接收到的电场变化信号进行信号转换，以实现降频；
[0062]或者，在多频点同步采集模式下，采用各自的中心频率对接收到的电场变化信号进行信号转换，以实现降频。
[0063]参见图1，本实施例中，还包括:GPS天线和GPS接收机；
[0064]所述GPS接收机分别连接所述GPS天线和所述控制器；
[0065]所述GPS天线，用于接收相应卫星发送的卫星信号，并将所述卫星信号传输至所述GPS接收机；
[0066]所述GPS接收机，用于根据接收到的卫星信号向所述时钟源和所述控制器提供卫星时间信息。
[0067]参见图1，本实施例中，所述第一采集卡和所述第二采集卡通过总线与所述控制器连接。
[0068]下面对本系统的工作原理进行实例说明:
[0069]天线阵列负责接收目标闪电的宽频带信号，根据观测需要的不同有相应的频率范围及阵列形状组合。相干信号采集模式下天线阵列一般设置为边长1m以上的正方形，或根据架设地点的实际情况调整为规则的四边形;在多频点同步采集模式下阵列可根据需要使用不同频段的天线，布设方式根据架设场地的实际条件架设为边长10左右的四边形即可。
[0070]下变频模块将天线阵列获取的信号转换为中心频率21.4MHz，带宽22MHz的中频信号。接收机组中各接收机的接收频率在20MHz-3000MHz之间可动态调。相干信号采集模式下各路接收机使用相同的接收频率，多频点同步采集模式下接收机可使用不同的中心频率。接收机的信号增益可以在50dB范围内调整。接收机组中的每个接收机都配有独立的本振源。这些本振源都使用系统内的高稳定时钟源作为外部时钟源。在相干信号采集模式下，所有接收机公用一个接收机的本振源;在多频点同步观测模式下所有接收机都使用各自的本振源。可调频接收机的使用，使得系统可以使用有限的A/D采样率在超宽频段内获取闪电电磁辐射信息，并且有利于规避某些频段的固有电磁干扰，并且相比于提高采样率获得的宽带观测降低了数据量，便于实现闪电辐射的连续完整记录。
[0071]电场变化传感器组包含一个频响范围IHz?500kHz以及一个IkHz?6MHz的电场变化传感器。这两路信号的波形特征可提供给采集器以识别闪电放电的类型如云闪、地闪。
[0072]可理解的是，若采集器识别出采集到的信号为非闪电的信号，则系统执行重新采集的步骤。
[0073]系统使用的A/D数据采集卡都具有14bits垂直分辨率、分别使用250MHz和20MHz的采样率对接收机与电场变化传感器的输出信号进行采集，使用PC1-E总线与控制器连接，采样深度均可达到ls，可实现数据的无间隔连续采集。
[0074]系统由GPS系统授时，并使用稳定度为0.0I ppm的高稳定度时钟作为下变频接收机与GPS接收机的时钟源。授时精度优于100ns。
[0075]控制器为一台高性能计算机，负责接收机模块与数据采集卡的运行控制与获取数据的分析、存储。
[0076]图2示出了本发明一实施例提供的一种目标闪电电场变化信号采集系统中控制器的工作流程图，下面参见图2对控制器的工作原理进行详细说明:
[0077]步骤一、在接收到外部设备输入的启动指令时，开始运行；
[0078]步骤二、预处理，对上述实施例中接收机的信号转换和采集卡的采样率等相关参数进行设置；
[0079]步骤三、向采集卡发送控制指令，以使采集卡开始采集数据，并控制采集的数据流入缓冲区；
[0080]需要说明的是，步骤三中采集的数据包括:下变频模块传输的降频后的电场变化信号以及电场变化传感器组传输的地面电场变化信号；
[0081]步骤四、从采集到的数据中提取部分数据段，并对提取出的数据段进行波形分析，以根据波形特征是否存在闪电信号，若是，则将该部分数据段进行列队;若否，则再次提取数据段；
[0082]步骤五、对采集到的数据进行监测，以判断在步骤四的提取后，是否还有数据，若有，则对数据进行存储。
[0083]下面对上述步骤进行实例说明:
[0084]实例一:甚高频段(30?300MHz)相干信号采集
[0085]系统使用四支相同的宽带盘锥天线构成天线阵列(参见图1中的天线Al、天线A2、天线A3和天线A4)，配备电场变化传感器。天线阵列的阵元间距设定为10m。使用相同长度的低损同轴电缆将天线阵列接入电调下变频接收机模块，将电场变化传感器接入采集卡。为了寻找适合观测的频段，系统开始通过采集控制程序从30MHz开始调节接收机的中心频率，以IMHz为步长直至300MHz。对架设地点的电磁环境观测完毕后，在适于观测的频段中选取一个感兴趣的区间进行观测。闪电发生时，采集程序会根据电场变化传感器与天线阵列信号的波形特征进行判断。发现闪电事件发生时，系统自动对所有数据进行保存。
[0086]实例二:多频点同步观测
[0087]系统使用四支不同的天线覆盖四个需要观测的频段。使用相同长度的低损同轴电缆将天线阵列接入电调下变频接收机模块，将电场变化传感器接入采集卡。为了寻找适合观测的频段，系统开始通过采集控制程序控制接收机根据各自连接天线的带宽范围扫描电磁环境。对架设地点的电磁环境观测完毕后，在每路信号适于观测的频段中选取一个感兴趣的区间进行观测。闪电发生时，采集程序会根据电场变化传感器与天线阵列信号的波形特征进行判断。发现闪电事件发生时，系统自动对所有数据进行保存。
[0088]图3示出了本发明一实施例提供的一种基于上述目标闪电电场变化信号采集系统的目标闪电电场变化信号采集方法的流程示意图，参见图3，该方法包括:
[0089]310、通过所述天线阵列将感应到的目标闪电产生的电场变化信号传输至所述下变频模块；
[0090]320、采集器在在接收到外部输入的启动采集指令时，生成第一控制指令，并将控制指令发送至所述下变频模块；
[0091]330、由所述下变频模块根据所述第一控制指令对接收到的电场变化信号进行降频处理，并将降频处理后的电场变化信号传输至所述采集器；
[0092]340、所述采集器采集并存储接收到的电场变化信号。
[0093]本实施例中，上述步骤330具体包括:
[0094]在相干信号采集模式下，采用相同的接收频率对接收到的电场变化信号进行信号转换，以实现降频；
[0095]或者，在多频点同步采集模式下，采用各自的中心频率对接收到的电场变化信号进行信号转换，以实现降频
[0096]对于方法实施方式，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明实施方式并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明实施方式，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施方式均属于优选实施方式，所涉及的动作并不一定是本发明实施方式所必须的。
[0097]对于方法实施方式而言，由于其与系统实施方式基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见系统实施方式的部分说明即可。
[0098]本发明的各个部件实施方式可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本系统中，PC通过实现因特网对设备或者装置远程控制，精准的控制设备或者装置每个操作的步骤。本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样实现本发明的程序可以存储在计算机可读介质上，并且程序产生的文件或文档具有可统计性，产生数据报告和CPk报告等，能对功放进行批量测试并统计。应该注意的是上述实施方式对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施方式。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
[0099]虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
【主权项】
1.一种目标闪电电场变化信号采集系统，其特征在于，包括:天线阵列、下变频模块和米集器； 所述下变频模块分别连接所述天线阵列和所述采集器； 所述天线阵列，用于将感应到的目标闪电产生的第一预设频率范围内的电场变化信号传输至所述下变频模块； 所述采集器，用于在接收到外部输入的启动采集指令时，生成第一控制指令，并将控制指令发送至所述下变频模块，以使所述下变频模块根据所述第一控制指令对接收到的电场变化信号进行降频处理;采集并存储降频处理后的电场变化信号。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述采集器包括:第一采集卡和控制器； 所述第一采集卡，用于根据第一预设采样率采集所述下变频模块的降频处理后的电场变化信号，并将采集到的电场变化信号发送至控制器； 所述控制器，用于对所述下变频模块和所述第一采集卡进行运行控制；并对接收到的第一预设频率范围内的电场变化信号进行存储。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括:电场变化传感器组； 所述电场变化传感器组，用于将感应到的所述目标闪电产生的第二预设频率范围内的电场变化信号传输至所述控制器； 相应地，所述控制器，还用于对接收到的第二预设频率范围内的电场变化信号进行波形分析，以识别闪电放电的类型。4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述采集器还包括:第二采集卡； 所述第二采集卡，用于根据第二预设采样率采集所述电场变化传感器组输出的电场变化信号，并将采集获得的电场变化信号传输至控制器。5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述下变频模块包括:接收机组和时钟源； 所述接收机组分别连接所述天线阵列和所述第一采集卡;所述时钟源分别连接所述接收机组和所述第一采集卡； 所述接收机组，用于接收所述天线阵列传输的电场变化信号，并对接收到的电场变化信号进行降频处理； 所述时钟源，用于根据接收到的卫星时间信息生成时钟信号，并将时钟信号传输至所述接收机组和所述第一采集卡，以使所述接收机组和所述第一采集卡对获取的信号进行时钟标定。6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述接收机组包括:多个接收机； 所述多个接收机，用于在相干信号采集模式下，采用相同的接收频率对接收到的电场变化信号进行信号转换，以实现降频； 或者，在多频点同步采集模式下，采用各自的中心频率对接收到的电场变化信号进行信号转换，以实现降频。7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，还包括:GPS天线和GPS接收机； 所述GPS接收机分别连接所述GPS天线和所述控制器； 所述GPS天线，用于接收相应卫星发送的卫星信号，并将所述卫星信号传输至所述GPS接收机； 所述GPS接收机，用于根据接收到的卫星信号向所述时钟源和所述控制器提供卫星时间?目息。8.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第一采集卡和所述第二采集卡通过总线与所述控制器连接。9.一种基于上述权利要求1-8任一项所述系统的目标闪电电场变化信号采集方法，其特征在于，包括: 通过所述天线阵列将感应到的目标闪电产生的电场变化信号传输至所述下变频模块； 采集器在在接收到外部输入的启动采集指令时，生成第一控制指令，并将控制指令发送至所述下变频模块； 由所述下变频模块根据所述第一控制指令对接收到的电场变化信号进行降频处理，并将降频处理后的电场变化信号传输至所述采集器； 所述采集器采集并存储接收到的电场变化信号。10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述由所述下变频模块根据所述第一控制指令对接收到的电场变化信号进行降频处理的步骤具体包括: 在相干信号采集模式下，采用相同的接收频率对接收到的电场变化信号进行信号转换，以实现降频； 或者，在多频点同步采集模式下，采用各自的中心频率对接收到的电场变化信号进行信号转换，以实现降频。
【文档编号】G01R29/08GK106093601SQ201610650076
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年8月9日 公开号201610650076.8, CN 106093601 A, CN 106093601A, CN 201610650076, CN-A-106093601, CN106093601 A, CN106093601A, CN201610650076, CN201610650076.8
【发明人】刘恒毅, 董万胜, 王飞, 姜睿娇
【申请人】中国气象科学研究院